Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 5
ГЛАВА 1 ПАССИВНАЯ МОДУЛЯЦИЯ ДОБРОТНОСТИ НЕПРЕРЫВНЫХ ИАГ:Ш-ЛАЗЕРОВ С ЛИНЕЙНЫМ РЕЗОНАТОРОМ
1.1. Оптимизация оптической схемы лазера с пассивным затвором 20
1.2. Оптимизация режимов генерации 35
1.3. Лазеры с линейными трехзеркальными резонаторами и модуляцией добротности кристаллами LiF:F2~ 61
1.4. Динамика генерации лазера с оптически связанными резонаторами при пассивной модуляции добротности 73
1.5. ИАГ:Ыс1-лазерная система с управляемыми параметрами выходно- го излучения 85
Выводы к главе 1 91
ГЛАВА 2 ПАССИВНАЯ МОДУЛЯЦИЯ ДОБРОТНОСТИ ИМПУЛЬСНО-ПЕРИОДИЧЕСКИХИАГ.Ш-ЛАЗЕРОВ % С ЛИНЕЙНЫМ РЕЗОНАТОРОМ
2.1. Оптимизация оптической схемы лазера с ПЛЗ на кристалле L\F:F2 93
2.2. Оптимизация лазера по энергетическим параметрам 97
2.3. Импульсно-периодический лазер с линейным четырехзеркальным резонатором 112
2.4. Лазеры с интерферометром Саньяка и пассивным затвором на кристалле FJF.Fi 120
2.5. Мощный лазер с оптически связанным резонатором и интерферометром Саньяка 133
Выводы к главе 2 140
ГЛАВА З КОМБИНИРОВАННАЯ АКТИВНО-ПАССИВНАЯ МОДУЛЯЦИЯ ДОБРОТНОСТИ ИАГ:Ш-ЛАЗЕРОВ С ЛИНЕЙНЫМ РЕЗОНАТОРОМ
3.1. Модулятор одномодового излучения на базе интерферометра Фабри-Перо 142
3.2. Модуляция ИАГ:Ш-лазера с помощью МИФП 151
3.2. Комбинированная модуляция ИАГ:Ыс1-лазера 161
Выводы к главе 3 168
ГЛАВА 4 ОДНОМОДОВЫЕ Nd- ЛАЗЕРЫ С САМООБРАЩЕНИЕМ ВОЛНОВОГО ФРОНТА ИЗЛУЧЕНИЯ
4.1. Обращение волнового фронта излучения в усиливающей среде и фототропном кристалле 170
4.2. Одномодовые Nd-лазеры с самонакачивающимся ОВФ-зеркалом 179
4.3. Одномодовый Nd-лазер с самонакачивающимся фазово-сопряжен- ным петлевым резонатором 201
4.4. Самомодуляция добротности на решетках усиления ИАГ:Ш-лазера с динамическим петлевым резонатором 211
4.5. Мощный ИАГ:Ш-лазер с пространственно-поляризационной раз- вязкой встречных волн 227
Выводы к главе 4 232
ГЛАВА 5 Nd-ЛАЗЕРЫ С ФАЗОВОЙ СИНХРОНИЗАЦИЕЙ НА РЕШЕТКАХ УСИЛЕНИЯ В АКТИВНОЙ СРЕДЕ
5.1. Лазерные системы с фазированием параллельных каналов генера- ции 234
5.2. Влияние пропускающих и отражающих голограмм усиления па развитие генерации в петлевых лазерных резонаторах 241
5.3. Фазовая синхронизация излучения на пропускающих решетках усиления 255
5.4. Лазерные системы с фазовой синхронизацией на пропускающих решетках усиления в активной среде 266
Выводы к главе 5 287
ГЛАВА 6 ПРИМЕНЕНИЕ Nd-ЛАЗЕРОВ С ПАССИВНЫМИ ЗАТВОРАМИ НА КРИСТАЛЛАХ LiF:F2"
6.1. Метод обработки комбинированным лазерным излучением 289
6.2. Лазерная резка комбинированным излучением 294
6.3. Лазерная сварка комбинированным излучением 308
6.4. Лазерная прошивка калиброванных отверстий 317
6.5. ВКР-преобразование излучения лазера с самоОВФ 327
Выводы к главе 6 354
" ЗАКЛЮЧЕНИЕ 356
Приложения 1. Селекция мод с помощью ПЛЗ на кристалле LiF:F2~ в непрерывном ИАГ:Ш-лазере с линейным резонатором 360
2. Определение силы термооптической линзы в активной среде 363
3. Расчет линейного неустойчивого резонатора 366
4. Селекция мод с помощью ПЛЗ на кристалле L\:F2 в импульсно-пе-риодическом ИАГ:1Мс1-лазере с линейным резонатором 371
5. Одномерная нестационарная модель воздействия комбинированного лазерного излучения на материал с цилиндрическим тепловым источником 374
6. Нестационарная двумерная тепловая гидродинамическая модель воздействия комбинированного лазерного излучения на материал 386
ЛИТЕРАТУРА 399
Введение к работе
Значительный прогресс в развитии физики и техники мощных лазеров, а также физики взаимодействия лазерного излучения с веществом, достигнутый за последние 15-20 лет, определил появление новых областей науки, техники и технологии. Уникальные характеристики лазеров по монохроматичности, пространственной и спектральной яркости, а также концентрации световой энергии открыли широкие возможности в нелинейной оптике, лазерной спектроскопии, военной технике, лазерной технологии и других направлениях. Дальнейшее их развитие требует создания более эффективных и мощных лазерных систем. В связи с этим в последнее время повышенный интерес проявляется к твердотельным лазерам на неодимсодержащих средах [1,2]. Хотя коэффициент полезного действия Nd-лазеров существенно ниже, чем у ССЬ лазеров, они стабильнее, дешевле и проще в эксплуатации. Твердотельные лазеры отличаются компактностью, легко автоматизируются и могут быть встроены практически в любой технологический процесс. Лазерные установки, созданные на их основе, обладают большой мобильностью, которая может быть значительно повышена путем замены ламповой накачки на полупроводниковую.
Однако целый ряд нерешенных научных и технических проблем мешает активному использованию твердотельных лазеров. Одной из наиболее важных проблем лазерной физики, которая возникла уже в первые годы создания и развития мощных лазеров, является улучшение структуры излучения. Последние достижения в разработке лазеров, по существу, привели лишь к увеличению средней мощности и энергии импульса генерируемого излучения, превышая теперь киловапный уровень при непрерывной накачке и килоджоульный уровень при импульсной накачке. Однако качество излучения современных мощ-ных лазеров остается низким. Возрастающие оптические искажения в лазерных кристаллах под действием накачки снижают качество выходного излучения лазера с увеличением средней мощности и энергии генерации. Многомодовый характер генерации мощных лазеров приводит к локальной хаотической неравномерности интенсивности излучения по поперечному сечению излучения, достигающей десятикратной величины. Значительная расходимость многомо-дового излучения существенно ограничивает его пространственную яркость, а, следовательно, снижает потенциальные возможности применения лазеров.
Поэтом\ разработка и исследование мощных твердотельных лазеров одномодового излучения с малой расходимостью, высокой пространственной яркостью и гауссовым профилем распределения интенсивности представляется весьма актуальной для научных и практических целей. Интерес к одномодовым твердотельным лазерам еще более повышается, благодаря значительному прогрессу, достигнутому в технологии узкополосной диодной накачки активных лазерных сред [3]. Вместе с тем, с помощью одномодовых пучков в режиме свободной генерации не всегда удается достичь необходимой интенсивности излучения вследствие потерь при селекции мод. Поэтому большой крут практических задач требует применения мощного одномодового модулированного излучения.
Анализ показывает, что одним из наиболее эффективных лазерных затворов для Nd-лазеров являются пассивные лазерные затворы (ПЛЗ) на основе кристаллов LiF, содержащих Fj центры окраски (ЦО). Как и активные модуляторы лазерного излучения, кристаллы LiF:/ позволяют получать импульсы наносекундного диапазона длительности. Вместе с тем, наряду с меньшей стоимостью, указанные пассивные затворы обладают более высокой эффективностью модуляции (до 90 %), способностью осуществлять селекцию как поперечных, так и продольных мод, формировать диаграмму направленности излучения. От ПЛЗ на основе полимерных красителей, а также других щелочно-га-лоидных кристаллов с центрами окраски, затворы из LiF:/ Y выгодно отличают лучшие теплофизические свойства, малая гигроскопичность кристалла, высокая термическая и оптическая стойкость F2 ЦО, значительный ресурс и возможность высокоэффективной работы при комнатной температуре как в импульс-но-периодических, так и непрерывных лазерах.
Однако большие потенциальные возможности, которыми обладают лазеры с ПЛЗ, еще не использованы в полной мере. В основном это обусловлено тем, что для многих приложений, в частности, для лазерной технологии обработки материалов, необходимы одновременно высокая пиковая мощность отдельного импульса и высокая средняя мощность излучения или энергия цуга импульсов. Трудность решения такой задачи заключается в том, что требуемые энергетические параметры для осуществления большинства процессов с применением лазерного излучения соизмеримы, или превосходят предел стойкости ПЛЗ. В результате усложняется схемное решение и уменьшается надежность лазеров. В связи с этим поиск оптимальной архитектуры резонатора для создания надежных лазеров с мощным импульсно-периодическим одномодовым излучением представляется весьма актуальной задачей для научных и практических целей.
К сожалению, именно в мощных твердотельных лазерах неравномерное температурное поле кристалла и соответствующее поле термонапряжений, возникающие под действием источника накачки, обуславливают анизотропию показателя преломления, неоднородное двулучепреломление по сечению активного элемента и другие нелинейные явления и, тем самым, вызывают наибольшие искажения волнового фронта выходного одномодового излучения, существенно снижая его качество. Вследствие этого, уменьшается пространственная яркость излучения и затрудняется его транспортировка в зону воздействия.
Как показывают наши исследования, задача улучшения качества одномодового излучения твердотельных лазеров с мощной ламповой накачкой может быть уже частично решена при одновременном использовании линейных резонаторов специальной конструкции и пассивной модуляции добротности [4-9]. Это позволило нам использовать такие лазеры для разработки новых приложений, таких как технология лазерной резки без использования кислорода в качестве рабочей среды, лазерной очистки поверхности. Совершенствование методов воздействия лазерного излучения, расширение числа доступных приложений поставило задачу дальнейшего повышения качества излучения без снижения его энергетических характерне гик.
Решение указанной задачи с помощью стационарных лазерных резонаторов затруднено вследствие сложности компенсации динамических аберраций фронта излучения при значительном превышении уровня накачки над пороговым значением. Хотя большие потенциальные возможности имеет адаптивная оптика [10,11], она практически непригодна для компенсации фазовых искажений излучения высокоэнергетичных импульсных лазеров из-за относительно низкого быстродействия. Кроме того, адаптивная оптика пока слишком сложная и дорогостоящая техника для широкого применения в мощных лазерных установках.
Одним из наиболее многообещающих методов является нелинейно-оптическая динамическая коррекция фазы излучения, которая основана на эффекте обращения волнового фронта (ОВФ) при нелиінейном смешении волн. Такие нелинейные динамические корректоры привлекательны из-за их компактности, быстродействия и низкой стоимости. В связи с этим особый интерес представляют динамические адаптивные системы с ОВФ-зеркалами, к числу которых относится петлевая схема генератора с самонакачивающимся ОВФ-зеркалом, создаваемом в результате четырехволнового взаимодействия (ЧВВ) лазерных пучков [12]. Подобные схемы компенсации искажений излучения не требуют применения в резонаторе дополнительных нелинейных элементов, поскольку ОВФ может осуществляться непосредственно в активной среде лазера. Важным достоинством этой схемы по сравнению с достаточно хорошо изученными схемами ОВФ при вынужденном рассеянии в жидких и газообразных средах [13-15] является низкий порог самообращения (самоОВФ), обеспечивающий наименьшие лучевые нагрузки на оптические элементы. Высокие коэффициенты отражения самонакачивающихся ОВФ-зеркал обуславливают широкие возможности их применения для создания мощных генераторов с дифракционным качеством излучения.
До настоящего времени одномодовый режим генерации и дифракционно-ограниченное качество пучка в ЧВВ-генераторах обеспечивалось путем использования жестких диафрагм, что снижает КПД лазера и, соответственно, энергетические параметры выходного излучения [16]. Поэтому большое значение имеет создание широкоапертурных самоОВФ-лазеров с высоким КПД и ди фракционным качеством пучка излучения. Один из путей решения указанной задачи заключается в повышении эффективности ОВФ за счет одновременного увеличения видности голографических решеток, возбуждаемых в активной среде, сужения спектра излучения и формирования плоского волнового фронта опорных волн, вступающих в ЧВВ. Для этого могут быть использованы уникальные свойства резонансного поглотителя на кристалле LiF:F2 одновременно выполнять функции как ПЛЗ и мягкой аподизирующей диафрагмы, так и дополнительного ОВФ-зеркала, а также свойства интерферометра Саньяка (ИС) осуществлять мягкую полноапертурную пространственно-угловую селекцию излучения для создания опорных волн с фронтом, близким к плоскому. В связи с этим создание и исследование самоОВФ-лазеров с затворами на кристаллах LiF:F2 и концевым отражателем, построенным по интерференционной схеме, представляется актуальным как с научной точки зрения, так с целью определения возможностей таких лазеров для решения различных практических задач.
Научная проблема. В ходе выполнения работы решалась крупная научная проблема, состоящая в получении модулированного лазерного излучения, обладающего одновременно высокой пиковой мощностью отдельного импульса и высокой средней мощностью, малой расходимостью, большой длиной когерентности и пространственной яркостью. Решение указанной проблемы проводилось по трем взаимосвязанным направлениям: разработка и оптимизация оптических схем лазеров, исследование режимов генерации и оптимизация энергетических, временных и пространственных параметров лазерного излучения, а также исследование возможностей их применения в лазерной технике и технологии.
Цель работы. Основной целью работы являлась разработка научно обоснованных методов создания мощных лазеров на неодимсодержащих активных средах с пассивной модуляцией добротности, исследование режимов их генерации и возможностей применения в лазерной технике и технологии.
процессе достижения поставленной цели решались следующие основные задачи:
- анализ возможных подходов к получению лазерного излучения одновременно с высокой пиковой мощностью отдельного импульса и высокой средней мощностью, малой расходимостью, большой длиной когерентности и пространственной яркостью;
- разработка способов построения высокоэффективных оптических схем Nd-лазеров со стационарными и динамическими резонаторами, обеспечивающих получение лазерного излучения с указанными характеристиками;
- разработка перспективных методов управления параметрами генерации Nd-лазеров с помощью ПЛЗ на основе кристаллов L iF:F2 для создания эффективных лазерных систем;
- численное моделирование и экспериментальные исследования режимов генерации Nd-лазеров с ПЛЗ и поиск путей повышения их эффективности;
- разработки новых лазерных технологий на основе исследования возможностей практического применения Nd-лазеров с ПЛЗ.
Основная часть работы выполнена в Научном центре лазерных материалов и технологий ИОФ РАН и на кафедре «Лазерная физика и технология» Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Ковровская государственная технологическая академия». В работе использованы кристаллы LiF:F2 , изготовленные в Научном центре лазерных материалов и технологий ИОФ РАН.
Научная новизна.
1. Впервые решена проблема создания широкоапертурных лазеров на не-одимсодержащих средах с управлением временной и пространственной структурой излучения с помощью насыщающихся элементов на основе кристаллов LW.Fi , обладающих одновременно высокой пиковой мощностью импульсов и высокой средней мощностью импульсно-периодического излучения, значительной длиной когерентности и пространственной яркостью.
2. Обнаружен и исследован режим генерации в виде цугов импульсов при непрерывной накачке лазера с оптически связанными стационарными резонаторами. Установлен механизм появления цугов, заключающийся в том, что лазерная система переключается из режима генерации непрерывной последовательности импульсов модулированного излучения в режим низкочастотной разгрузки резонатора задающего генератора при наложении пассивной высокочастотной модуляции неактивных потерь резонатора задающего генератора, осуществляемой ПЛЗ на кристалле LiF:F2", на низкочастотную модуляцию полезных потерь всей лазерной системы связанных резонаторов, появляющуюся при модуляции мощности накачки.
3. Продемонстрирована возможность использования концевых отражателей на базе интерферометров Фабри-Перо (ИФП) и Саньяка в импульсно-периодических лазерах с ПЛЗ на кристаллах LiFi/V для получения мощного излучения. Экспериментально показано, что применение концевого отражателя интерференционного типа в лазерах со стационарным резонатором обеспечивает высокую эффективность пассивной модуляции, приводит к снижению тепловых и оптических нагрузок на пассивный затвор и повышению ресурса его работы, а также позволяет осуществлять спектрально-угловую селекцию лазерного излучения при размещении ПЛЗ внутри интерферометра. Применение отражателя на базе ИС в лазерах с динамическим резонатором позволяет в результате интерференции создавать опорные волны с близким к плоскому волновым фронтом, улучшать их однородность в области локализации в активной и пассивной среде, а также повышать качество ОВФ.
4. Предложен модулятор добротности резонатора на основе интерферометра Фабри-Перо (МИФП) с переменной базой, сочетающий в себе положительные качества гауссовых зеркал и модуляторов активного и пассивного типа, обеспечивающий эффективность модуляции, сравнимую с эффективностью ПЛЗ, и позволяющий значительно улучшать пространственно-энергетические характеристики излучения при совместной модуляции с ПЛЗ на кристалле L \:F2 непрерывного ИАГ:Ыс1-лазера.
5. Предложен метод создания мощных Nd-лазеров с ПЛЗ на кристалле LiF:F2 и самоОВФ на голографических решетках, позволяющий получать ши-рокоапертурное одночастотное излучение в виде цугов наносекундных импульсов с энергетическими и пространственными параметрами, на 1-2 порядка превышающими параметры лазеров со стационарным резонатором. Обнаружено существенное увеличение эффективности генерации при установке ПЛЗ на кристалле L iF:F2 в пересечении внутрирезонаторных пучков.
6. Обнаружен и исследован режим самомодуляции добротности на решетках усиления в самоОВФ-лазере, аналогичный пассивной модуляции добротности резонатора. Установлен механизм самомодуляции, заключающийся в периодической записи и стирании голограмм усиления в активной среде лазера.
7. Предложен и реализован способ поляризационного управления пространственно-энергетическими параметрами генерации самоОВФ-лазера с помощью размещенной в ИС фазовой пластинки, который обеспечивает оптимальное перераспределение поля внутри самонакачивающегося фазово-сопряженного петлевого резонатора и повышает энергетические параметры излучения.
8. Предложен и экспериментально осуществлен новый способ фазовой синхронизации Nd-лазеров с петлевыми резонаторами на пропускающих голографических решетках усиления, записанных в общей активной среде, и показана принципиальная возможность получения самосфазированного режима генерации с высокими энергетическими параметрами при большой точности фазиров-ки каналов генерации.
9. Показана возможность получения ВКР-излучения с большой средней мощностью и энергией по схеме многопроходного ВКР-преобразования с внешней накачкой нелинейного кристалла излучением Nd-лазера с ПЛЗ и самоОВФ.
Практическая ценность.
1. Предложены непрерывные генераторно-усилительные лазерные системы со стационарным резонатором и ПЛЗ на кристалле LiF:F2 , генерирующие од-номодовое излучение со средней мощностью более 100 Вт, и пиковой мощно стью отдельного импульса до 0,8 МВт, с шириной спектра менее 5-Ю-2 см и пространственной яркостью импульсов излучения (2-4) 1010 Вт/(см 2-ср) при эффективности модуляции до 50 %.
2. Разработана и реализована лазерная система с управляемыми энергетическими и временными выходными параметрами излучения на основе исследования механизма генерации цугов импульсов в непрерывном лазере с оптически связанными резонаторами.
3. Предложены импульсно-периодические генераторно-усилительные лазерные системы со стационарным резонатором, концевыми отражателями на базе ИФП и ИС с ПЛЗ на кристаллах LiF:F2 , генерирующие одномодовое излучение со средней мощностью более 100 Вт, пиковой мощностью отдельного импульса до 2 МВт, с шириной спектра излучения (1-5)-10-2 см"1, с пространст-венной яркостью импульсов излучения (1-2) 10 Вт/(см -ср) при эффективности модуляции до 90 %.
4. Разработана компактная непрерывная лазерная система со стационарным оптически связанным резонатором и комбинированной модуляцией добротности, осуществляемой одновременно ПЛЗ и МИФП, позволяющая уменьшить ширину спектра излучения до 0,8-10 см и увеличить пространственную яркость до 10 Вт/(см 2-ср).
5. Предложен ряд эффективных лазерных систем на неодимсодержащих кристаллах и стеклах с ПЛЗ на кристалле LiF:F2" и самоОВФ, позволяющих получать одночастотное излучение с пиковой мощностью импульсов до 20 МВт при средней мощности более 100 Вт, с параметром качества М , близким к 1, и расходимостью, близкой к дифракционной, с длиной когерентности более 15 м и пространственной яркостью излучения до 410 Вт/(см ср).
6. Разработана новая петлевая HAFiNd лазерная система с фазовой синхронизацией двух параллельных каналов генерации и самоОВФ на решетках усиления. Получено сфазированное одномодовое излучение с пиковой мощностью импульса до 15 МВт при точности фазировки каналов генерации до 0,9.
7. Разработаны новые технологии резки и сварки комбинированным (MAr:Nd + С02) лазерным излучением, позволяющие в 2 раза снизить энергетический порог, в 2-4 раза увеличить глубину и в 40 раз увеличивать скорость обработки при использовании лазерных систем со стационарным резонатором и ПЛЗ на кристалле LiF:F2 . Технологии не требуют нанесения поглощающих покрытий и предварительной подготовки обрабатываемой поверхности, а также позволяют исключить применение дорогостоящей рабочей среды кислорода, заменив его сжатым воздухом.
8. Разработана технология прошивки глубоких прецизионных отверстий малого диаметра (отношение глубины к диаметру более 100) при использовании одномодового лазера с самоОВФ и ПЛЗ на кристалле LiF:F2 . Получены отверстия диаметром от 15 до 200 мкм глубиной от 2 до 27 мм в различных металлах, сплавах и керамике.
9. При использовании одномодового ИАГ:Ш лазера с самоОВФ и ПЛЗ на кристалле \AY:F2 впервые экспериментально осуществлено преобразование в ВКР-излучение со средней мощностью до 6 Вт с эффективностью преобразования 35 % при использовании ВКР-кристаллов нитрата бария Ba(N( $)2 и вольфрамата бария BaW04. Впервые получено ВКР-излучение с энергией цуга 1,6 Дж при использовании кристалла BaW04 и накачке ГГГ:Ыс1-лазером.
Реализация и внедрение результатов работы.
1. Разработан и внедрен в производство на предприятии ОАО «Завод им. В.А. Дегтярева» лазерный технологический комплекс комбинированного излучения на основе С02 и ИАГ:Ис1 лазера для резки неметаллических материалов, сталей, цветных металлов и сплавов, сварки конструкционных, легированных сталей и цветных сплавов.
2. Разработана и внедрена в производство на предприятии ОАО «Ковров-ский механический завод» технология сверления отверстий диаметром 150 мкм по 8 степени точности и с конусностью 1:500.
3. Разработаны и внедрены в производство на предприятии ООО «Пленочные технологии и микротехнологии» прецизионные технологии обработки плат коммутаторов и резистивных элементов, выполняемые при использовании ИАГ:Ыс!-лазера с комбинированной модуляцией добротности.
Изложенные в диссертационной работе исследования позволяют вынести на защиту следующие научные положения:
1. Результаты системного поиска оптических схем непрерывных и импульс-но-периодических лазеров, методов управления режимами их генерации и выходными параметрами с помощью насыщающихся элементов на основе кристаллов LiF:F2 , которые позволяют создавать высокоэффективные лазеры на неодимсодержащих средах с пассивной модуляцией добротности, обладающие одновременно высокой пиковой мощностью импульсов и высокой средней мощностью излучения, значительной длиной когерентности и пространственной яркостью.
2. Обнаружение и исследование режима генерации в виде цугов импульсов при непрерывной накачке лазера с оптически связанными стационарными резонаторами, обусловленного низкочастотной разгрузкой резонатора при наложении пассивной высокочастотной модуляции неактивных потерь резонатора задающего генератора, осуществляемой ПЛЗ на кристалле LiFi/V, на низкочастотную модуляцию полезных потерь всей лазерной системы связанных резонаторов, проявляющуюся при модуляции мощности накачки.
3. Предложение и реализация концевого отражателя интерференционного типа на базе ИФП и ИС, включающего ПЛЗ на кристалле LiF./V, обеспечивающего генерацию излучения с высокой эффективностью пассивной модуляции, а также обуславливающего значительное улучшение его пространственных параметров.
4. Предложение и реализация МИФП с переменной базой, обеспечивающего высокую эффективность модуляции, сравнимую с эффективностью ПЛЗ, и значительно улучшающего пространственно-энергетические характеристики излучения Nd-лазера при совместной модуляции с ПЛЗ на кристалле LiF:F2 .
5. Реализация способа самоОВФ одновременно на голографических решетках усиления и поглощения, позволяющего создавать мощные Nd-лазеры с ПЛЗ на кристалле L\F:F2 , которые по эффективности генерации не уступают лазерам со стационарным резонатором, а по пространственно-энергетическим характеристикам превосходят их на 1-2 порядка.
6. Предложение и реализация способа управления генерационными характеристиками самоОВФ-лазеров за счет использования эффекта самомодуляции на решетках усиления, аналогичного пассивной модуляции добротности резонатора и заключающегося в периодической записи и стирании голограмм усиления в активных средах лазера.
7. Предложение и реализация способа фазовой синхронизации Nd-лазеров с петлевыми резонаторами на пропускающих голографических решетках усиления, записанных в общей активной среде, позволяющего получать сфазирован-ный режим генерации с высокими энергетическими параметрами при большой точности фазировки каналов генерации.
8. Реализация новых возможностей Nd-лазеров с ПЛЗ на кристаллах LiF:F2" , свидетельствующих о перспективности применения таких лазеров для решения практических задач.
Диссертация состоит из 6 глав.
В первой главе обоснован выбор кристалла LiF:F2 для ПЛЗ мощных Nd-лазеров и исследована пассивная модуляция добротности непрерывных лазеров с линейным резонатором: на основе оптимизации оптической схемы лазера и режимов его генерации определена базовая оптическая схема линейного резонатора для создания мощных одномодовых лазеров с пассивной модуляцией добротности, обладающих одновременно максимальной пиковой и средней мощностью выходного излучения; обсуждаются результаты исследования лазеров с многокаскадным однопроходным и многопроходным усилением; проанализирован механизм появления цугов наносекундных импульсов при непрерывной электрической накачке лазера с оптически связанными стационарными резонаторами; предложена лазерная система с управляемыми энергетическими и временными выходными параметрами излучения.
Во второй главе приведены результаты исследования пассивной модуляции добротности импульсно-периодических Nd-лазеров с линейным резонатором: рассмотрены многозеркальные лазерные системы с концевыми отражателями на базе интерферометров Фабри-Перо и Саньяка; представлено решение задачи модуляции добротности резонатора кристаллами LiF:F2 при выходной мощности одномодового излучения более 100 Вт; показана перспективность применения интерферометра Саньяка для получения полноаппертурного одномодового излучения с пиковой мощностью импульсов мегаваттного диапазона при средней мощности излучения более 100 Вт; обсуждаются возможные причины высокой эффективности модуляции. •
В третьей главе исследованы возможности повышения осевой яркости излучения Nd-лазера при непрерывной накачке: разработан модулятор добротности резонатора на основе интерферометра Фабри-Перо с переменной базой, сочетающий в себе положительные качества гауссовых зеркал и модуляторов активного и пассивного типа; определен диапазон оптимальных частот и форма сигнала управления модулятором; исследована возможность максимального использования накопленной энергии в активной среде лазера с ПЛЗ и дальнейшего повышения пространственных параметров его излучения путем модуляции одновременно ПЛЗ и модулятором на базе интерферометра Фабри-Перо; обсуждаются возможные причины улучшения качества излучения, возрастания пространственной яркости и увеличения длины когерентности.
В четвертой главе приведены результаты исследований по созданию мощных Nd-лазеров с самоОВФ излучения при ЧВВ в среде активных и фото-тропного элементов лазера; рассмотрены режимы пассивной модуляции добротности кристаллами LiF:F2 , а также самомодуляции излучения на голограммах усиления петлевого резонатора; представлено решение задачи повышения эффективности генерации самоОВФ-лазера с интерферометром Саньяка и реализации режима генерации модулированного излучения с пиковой мощностью импульсов мегаваттного диапазона и средней мощностью до 120 Вт.
В пятой главе предложен новый принцип фазовой синхронизации Nd—лазеров на пропускающих голографических решетках усиления, записываемых самими пучками в процессе ЧВВ в среде общего АЭ; рассмотрены схемы соединенных параллельно петлевых самоОВФ-лазеров с дифракционной связью; приведены результаты исследований динамики их генерации.
В шестой главе представлены некоторые возможности одномодовых Nd-лазеров с ПЛЗ на кристалле LiF:F2 ; на примерах лазерной резки, сварки и прошивки калиброванных отверстий, а также исследований по ВКР-преобразова-нию показаны возможности применения Nd-лазеров в лазерной технике и технологии.
Основные результаты диссертации опубликованы в работах [3-9,54-56,69, 79, 91, 92, 95, 96, 98, 99, 103, 113, 138, 139, 186-191, 193, 194, 196, 197, 201-215, 220, 221, 247, 251, 271-280, 298-300, 309-312].
Материалы диссертации докладывались на Международной конференции «КиНО» (С.-Петербург, 1991); Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы фундаментальных наук» (Москва, 1994); Всесоюзной конференции «Применение лазеров в технологии и системах передачи и обработки информации» (Киев, 1991); Всесоюзной акустической конференции (Москва, 1991); научно-практическом семинаре «Применение лазеров в народном хозяйстве, науке и технике» (Сочи, 1991); научно-технической конференции «Технологические методы повышения эксплуатационных свойств деталей машин» (Севастополь, 1992); Российской национальной конференции «Лазерные технологии 93» (Шатура, 1993); Всероссийском симпозиуме «Синерге-тика 96» (Москва, 1996); International Conference on Lasers and Electro-Optics-Europe CLEO/Europe-1998 (Glasgow, Scotland, UK, 1998); International Conference «Fotonics West» (San Jose, USA, 1998); International Conference «Lasers 98» (Tucson, USA, 1998); Международной конференции «Лазерные технологии 98» (Шатура, 1998); Международной научно-технической конференции «Управление в технических системах» (Ковров, 1998); International Forum on Advanced High-Power Lasers and Application AHPLA 99 (Osaka, Japan, 1999); International Conference on Laser Optics LO 20 Conference on Laser Optics LO 2000 (St. Petersburg, Russia, 2000); International Conference on Lasers and Electro-Optics-Europe CLEO/Europe-2000 (Nice, France, 2000); Международном симпозиуме «Вакуумные технологии и оборудование» (Харьков, 2001); International Conference on Lasers and Electro-Optics-Europe CLEO/Europe-2001 (Munich, Germany, 2001); Международной конференции «Лазерные и лазерно-информационные технологии: фундаментальные проблемы и приложения» (Владимир, 2001); International Conference on Lasers, Applications and Technologies LAT-2002 (Moscow, Russia, 2002), International Laser Physics Workshop LPHYS 03 (Hamburg, Germany, 2003), International Conference «Advanced Solid-State Photonics» (Santa-Fe, USA, 2004); на ежегодных научно-технических конференциях Ковровской государственной технологической академии.
Личный вклад автора в исследования, изложенные в диссертации, состоял в формировании общей цели и определении задач исследований; в постановке и непосредственном участии в большинстве экспериментов; в анализе, трактовке и формулировке результатов и выводов исследований; в непосредственном написании научных статей и заявок на патенты.
