Введение к работе
Актуальность работы. Работа посвящена изучению особенностей генерации лазеров с несколькими резонаторами (многопучковых лазеров), пучки которых пересекаются в общей для них активной среде. Взаимодействие между резонаторами такого лазера обусловлено в основном нелинейными свойствами активной среды. Действительно, удаление активной среды делает резонаторы такого лазера совершенно независимыми.
Анализ процессов, происходящих в многопучковом лазере, позволяет уточнить механизмы взаимодействия излучения с веществом. Такой лазер представляет собой удобный объект для исследования различных нелинейных явлений, в том числе и эффектов самоорганизации. Таким образом, его изучение может оказаться полезным не только в научно-познавательном, но и в практическом плане.
Лазеры с двумя и более резонаторами, которые связаны между собой оптически (то есть взаимодействуют, обмениваясь частью генерируемого лазером излучения), изучались рядом авторов ио-оа того, что с помощью короткого резонатора, связанного различными способами с основным лазерным резонатором, легко достигается селекция продольных мод. Оптическое взаимодействие между несколькими лазерами сопровождается аналогичными явлениями.
В настоящее время связанные резонаторы интенсивно исследуются применительно к полупроводниковым лазерам, где задача монохро-матизащш генерируемого излучения с помощью внешнего резонатора остается актуальной. Кроме того, вызывают повышенный интерес разные типы не стабильно степ параметров лазера с внешним резонатором (coherence collapse), включающие хаотические режимы генерации и такое явление, как автомодуляция на частоте релаксационных колебаний. Последние возникают в полупроводниковых лазерах при относительно сильной связи с внешним резонатором.
В многопучковом лазере нетрадиционный механизм связи между резонаторами приводит к появлению качественно новых свойств. В нем начинают проявляться относительно медленные (с характерными постоянными времени порядка длины периода релаксационных колебаний) эффекты, о бзгс лов ленные нелинейным характером взаимодеш inn и излучения с веществом активной среды. Среди них в nepnjm оме редь следует отметить изменение спектров релаксационных колебаний.
мультпстабильные состояния.
Многопучковые лазеры позволяют формировать внутри лазерной среды активные области практически любой формы. В частности, в двухпучковом лазере помененис рапмеров активных областей пооволя-ет в широких пределах варьировать отклик такого лазера на управляющее воздействие. Следовательно, эффективность внутриреоонаторных методов управления пространственными, временными и спектральными характеристиками лазерного иолучснпя может быть значительно увеличена. Это даст вооможность использовать специфические методы внутрирезонаторной модуляции оптического получения. При управлении оптическим сигналом такое устройство способно переключать свет и выполнять элементарные логические операции. Таким обраоом, многопучковый лазер можно рассматривать в перспективе как базовый элемент оптических цифровых'систем обработки информации, что позволит качественно изменить методы обработки оптических сигналов
Известные к настоящему времени исследования многопучкового лаоера имеют экспериментальный характер и большая их часть касается лазеров с импульсной накачкой, где наблюдение упомянутых явлений практически невозможно. Не было исследовано поведение такого лазера в режиме малых возмущений, хотя именно этот режим работы лазеров достаточно точно моделируется теоретически. В связи с этим теоретический анализ п экспериментальное изучение поведения многопучковых лазеров при различных режимах работы и способах модуляции излучения представляется достаточно своевременным.
Целью работы явилось определение факторов, обуславливающих осо бенности динамики многопучкового лазера, установление физических механизмов формирования излучения, поиск новых нетрадиционных методов внутрирезонаторного управления энергетическими, временными и пространственными параметрами излучения.
Для проведения экспериментальных исследований использовался лазер на кристалле алюмоиттриевого граната, активированного неодимом. Это связано с тем, что из-за благоприятного сочетания основных характеристик этого активного материала он стал наиболее удобным объектом для исследования фундаментальных закономерностей в квантовой оптике. С другой стороны, поведение одномодовых лазеров < широким набором активных сред, включая большинство твердотсль ных, полупроводниковые и некоторые молекулярные (например СО2) во многом аналогично поведению лазера на YjAlsOu — N(P+.
Научная новизна работы состоит в том, что впервые:
Проведено системное исследование многопучкового лазера, для ко-торого используются математические модели, учитывающие нелинейный характер взаимодействия излучения с веществом активной среды.
Определено влияние связанности резонаторов на параметры переходных процессов в многопучковых лазерах, если взаимодействие резонаторов обусловлено насыщением рабочего перехода.
Показано, что при сильной связи резонаторов повышается чувствительность многопучкового лазера (отношение приращения из лучаемой мощности к величине приложенного воздействия). Исследованы ключевой режим работы двухпучкового лазера и возможность его применения в системах цифровой обработки оптических сигналов.
Экспериментально обнаружено явление оптической бистабильно-сти в двухпучковом лазере. Показано, что наличие бистабиль-ности связано с процессом взаимодействия пучков через динамическую дифракционную решетку, наводимую ими в лазерном кристалле, и обусловлено фоторефрактивностью активной среды.
Практическая значимость работы. В практическом плане (с точки
рения использования многопучкового лазера в системах связи и вы-
делительной технике в качестве базового элемента полностью оптиче-
ких цифровых систем обработки информации) наиболее интереснпми
.шляются следующие результаты:
Изучены статические и динамические характеристики многопучковых лазеров, показана возможность оптического управления параметрами генерируемого ими излучения. Предложены структурные схемы оптических элементов дискретной логики и устройсч fi ііа их основе.
Показана возможность синхронизации собственных колебаний мін > гопучкового лазера, что позволяет реализовать сканирование излучения в пространстве и может найти применение в лазерных навигационных системах;
В процессе экспериментальных и теоретических исследований по
лучены результаты, позволяющие определить область параметров
двухпучкового лазера, при которых возникает бистабильность.
На защиту выносятся следующие положения:
-
Особенности динамики многопучкового лазера обусловлены нелинейностью активной среды, в которой пучки пересекаются и обмениваются энергией между собой. При непрерывной накачке взаимодействие резонаторов,связанное с насыщением рабочего перехода, приводит к расщеплению собственных частот релаксационных колебаний и появлению ряда нормальных колебаний с pan-личными частотами. В результате синхронизации нормальных колебаний возникает режим пространственной модуляции световой мощности, аналогичный режиму синхронизации поперечных мод.
-
Параметрический характер связи резонаторов приводит к тому, что тонкие нелинейные эффекты проявляются в многонучковом лазере в непрерывном режиме при относительно невысокой ин-
тенсивности светового поля. Примером является бистабильность
в двухпучковом лазере с непрерывной накачкой, возникающая при
уменьшении угла между осями резонаторов до некоторой крити
ческой величины. Чтобы объяснить появление бистабильности и
оценить область параметров системы, где она возникает, кроме
эффекта насыщения усиления в области пересечения пучков тре
буется дополнительно учесть влияние фазовой дифракциоішой ре
шетки, наводимой в активной среде полем нескольких продольных
мод, сосуществующих в генерирующем резонаторе.
3. Возможность применения многопучкового лаоера в системах опти
ческой цифровой обработки информации обусловлена тем, что
при внутрирезонаторном управлении его чувствительность выше
чем однопучкового лазера. В многопучковой системе небольшое
возмущение приводит к значительному перераспределению гене
рируемого лазером излучения, практически не изменяя суммар
ной мощности. Это позволяет применять для управления параме
трами излучения модуляторы (в том числе управляемые светом),
которые в других условиях малоэффективны, делает возможной реалиоацию оптических элементов дискретной логики и устройств
на их основе.
Основные результаты работы докладывались и обсуждались на:
Московскохі семинаре по фпопке и спектроскопии лазерных кристаллов (Москва, 1990);
8 Всесоюзной научно-технической конференции "Фотометрия и ее метрологическое обеспечение" (Москва, 1990);
Научно-технической конференции "Распознавание образов и анализ изображений" (Минск, 1993);
Республиканской конференции молоДых ученых по квантовой электронике (Минск, 1994);
Наулно-технической конференции "Физика и техника плазмы" (Минск, 1994);
Международной конференции по перестраиваемым твердотель ным лазерам (Минск, 1994);
Семинаре "Нелинейные явления в сложных системах" (Минск, 1995);
Республиканской научно-методической конференции "Применение лазерной и оптико-электронной техники в учебном процессе" (Минск, 1995).
Материалы дпссертации изложены в 17 работах, опубликованных в научно-технических изданиях. Основные работы по теме диссертации приведены в списке литературы.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Работа изложена на 132 страницах машинописного текста и пключает 49 рисунков, 2 таблицы, список литературы состоящий из 132 наименований.
