Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 6
ГЛАВА, li.. ЛАЗЕРНЫЕ СИСТЕМЫ? С" ЭЛЕКЛ?ВО0ШИШСКШ БВАШОШ
ВЯЗБШ(0БЗОР)ї 15
1їЛІЗлектрооптическаЯїОбратнажіЄвязБ=вшазерах. Ш
Іиї^.хВЬіорефрактивншйі.зффектВїасриєталлах^типаїВНВЕ'1. Ш;-
HZ1L Временные: характеристики- эффекта* высокотемпературной
фоторефращиш 22
KZZ.. Амплитудные;: характеристики^ эффектам высокотемпературной
фоторефракциш 25
1.23; Пространственные характеристики; эффектам высокотемпературной;
фоторефракции: 30
1.2.41 Физическая1; картина: динамики; дислокаций; при> их возбуждении; в;'
кристалле ГЖЕШ (дислокационная %іодєлб)л 32
13^Теоретические основы?лазерных* системне;фоторефрактивным:эффектом::.34і
1.4. Динамика лазерных систем;С'запаздыванием 39
1.5? Постановка задачи 44
ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА ШИРОКОПОЛОСНОЙ УСИЛИТЕЛЬНОЙ
УСТАНОВКИ ДЛЯ СИГНАЛА -В ЩПИ ОБРАТНОЙ СВЯЗИ; 45
2Л. Характеристика спектра сигнала цепи обратной связи. 45
2.2. Высокочастотный электронный блок для возбуждения сверхбыстрых
процессов в лазере с электрооптической ячейкой 48
2.3. Резюме 54
ГЛАВА 3; ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ЛАЗЕРА С
РЕГЕНЕРАТИВНОЙ ОБРАТНОЙ СВЯЗЬЮ. 56
3 Л. Принципиальная схема лазера с регенеративной обратной связью 56
3.2.. Основные экспериментальные результаты по динамике генерации лазера с
регенеративной обратной связью 59
3:2 Л .Временные характеристики 59
3.2,2. Энергетические характеристики 65
3-3. Высокоэнергетичеекий лазер с регенеративной обратной: связью^на базе
ГОС-ЮОТ 67
3;4; Исследование: паразитных потерь фоторефрактивной природы в
модуляторе 70:
ЗШ1?... Экспериментальное.: исследование; распространения: излучениям В;
электроопшчеекой ячейке.. ...70
3:4::2. Экспериментальное^ исследование:, возможности^ нейтрализации*
паразитного^фоторефрактивного эффекта:; 74
3;5; Резюме;... .-..7:6-
ТЛАВЛЧ4: о? ФшомЕшттттєшШ теориифоторефрактивное
ЭФФЕКТА ВЖРИСТА^і]ІА^^ІЇШіБКЕФ 77
4.1 \ Феноменологическое: описание фоторефрактивного эффекта 77
4:2Т1рохождение лучей'через электрооптическую ячейку и потери в ней 82"
4:31,К динамике лазера с отрицательной обратной связью:... 86>
4ЖРезюме; 92
ГЛАВА 5. РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ИЗМЕРЕНИЯ СВЕРХБЫСТРЫХ
ПРОЦЕССОВ С ПОМОЩЬЮ СТРИК-КАМЕРЫ "ВЗГЛЯД-2" 93-
-
Экспериментальная установка на базе стрик-камеры "Взгляд-2" 93
-
Исследование тонкой временной структуры ультракоротких импульсов в лазере с отрицательной обратной связью 96
-
Резюме 102
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 103
ЛИТЕРАТУРА 105
Список сокращений и обозначений
ВТФР высокотемпературная фоторефракция
ВЧ высокочастотный
ООС отрицательная обратная связь
ОС обратная связь
ПОС положительная обратная связь
СВЧ сверхвысокочастотный
СМ синхронизация мод
УКИ ультракороткий импульс
ФР фоторефракция
ФЭК фотоэлемент коаксиальный
ФЭУ фотоэлектронный умножитель
ЭОП электронно-оптический преобразователь
СГ свободная генерация
*${.. тензор фоторефрактивных коэффициентов
^ модуль вектора Бюргерса
d константа торможения
с удельная теплоемкость
с безразмерная постоянная фоторефракции
jy индукция электрического поля
л пьезомодуль
напряженность электрического поля
напряженность постоянного электрического поля
gph напряженность электрического поля возникающего при
фоторефрактивном эффекте
Gsm модуль сдвига
I плотность мощности
К' коэффициент обратной связи
L длина резонатора
т относительная плотность фотонов в резонаторе
то, пороговое значение относительной плотности фотонов для
возбуждения фоторефрактивного э ф фекта
М безразмерный сигнал обратной связи
п' относительная плотность инверсной населенности
п0 обыкновенный показатель преломления ячейки
пе(а)) количество дислокационных струн
Щ- превышение энергии-накачки над ее пороговым значением:
Ж энергетический коэффициент отражения
r-jj, mijr- тензор линейных электрооптичееких' коэффициентов
Т: температура;
Тії время продольной релаксации инверсной населенности
Т-2 время поперечной релаксации инверсной населенности в лазере
Тс время жизни фотона в резонаторе
IHooc электрический сигнал цепи OG
Ux/2 полуволновое напряжение электрооптической ячейки
W плотность энергии
W- параметр описывающий накачку
ху тензор деформаций
а коэффициент затухания
a-afc удельный коэффициент поглощения
rj функция пропускания электрооптической ячейки
щ тензор диэлектрической непроницаемости
Л длина волны
а напряжение дислокационной струны
гс постоянная интегрирования сигнала в цепи обратной связи
Tph безразмерное время релаксации фоторефракции
тг время релаксации
Введение к работе
Развитие науки* на современном- этапе:: характеризуется; широким использованием» лазеров; нш не;, только*позволили, продвинуть; исследования праЕтинееки(во&всех;облаетях( физики ^термоядерньі№синшез,.биофизика .и др.) и техиикш фмикроэлектроника^. плазменная* обработкам т д|к)* но; и обусловили-также:: появление;: ряда» новых; направлений?; (нелинейная* оптика, голография;. физика-; лазерной;; плазмыь ж дрф. Способность, концентрировать электромаЕнитнугорэнершюдапроетранстве;, определяет важнуюрояь. лаз ерных. систем;
Ш настоящее1 время; методы* концентрации? энергии» в;: пространстве связанны- с-, генерацией'; ультракоротких импульсов» 0ЖЩі и; являются-достаточно; разработанными^ позволяя: достигать пороганлазмообразования-шри-взаимодействии; с. веществом-: Ж. таким; методам,;, можно;-отнести1 использование пассивных фильтров^ fco-> временем^ релаксации менее ГО" с), активных акустооптичееких и электрооптических модуляторов; В последнем случае важную роль приобретают электрооптические кристаллы DKDP, которые, к сожалению, выше точки Кюри, обладают ярко выраженным фоторефрактивным эффектом, как было установлено недавними- исследованиями 1]. С точки зрения техники, генерация УКИ во всех этих случаях базируется на эффекте синхронизованной генерации продольных лазерных мод [2]. Большая роль при этом отводится использованию всевозможных обратных связей, как возникающих естественным образом, так и навязываемых искусственно. Положительная обратная связь (ОС) позволяет получать УКИ с длительностями пикосекундного диапазона, особенно при использовании скоростных пассивных модуляторов. Областью применения отрицательной ОС является генерация цугов большой длительности с управляемыми параметрами [3-11]. Следует отметить, что, как правило, в таких случаях ОС выполняет лишь вспомогательную функцию, корректируя параметры цуга УКИ.
Ситуация технически облегчается если для генерации УКИ использовать регенеративную- отрицательную* обратную- связь. (Ї(М)Є); Такой.- метод был предложен^ еще;в;конце 60 годов прошлого века- р2]1. Efo< суть, заключается- в том;. что*- при* определенных, параметрах-- 0Є можно:- добиться» увеличения' доли; межмодовожк0МпонентшіВ-і:-епект?ре:;.еиЕналаіЄ. №как:следствие: ее: регенерации в; спектре: выходного^ излучения* лазера-:, К^ настоящему, моменту такой метод гєнерацииїУКШбьмс опробовашкак, в; газовомїрїЬМе)? | Щ% ,так:их твердотельном: т ^рубиновом^рЗ| лазерам,
К оеобённостяммэтоЕО^методаженерацииоУлКШможнолотнести следующее. Bt отличие: ОТ: активных^ методов? частотам модуляции'' потерь, резонатора автоматически: совпадает- с: его? межмодовош частотой^ что: исключает - необходимоеть^удоемкоюподетройкиї В« силу* отрицательно го>характера: С т целому т прш: соответствующей частотной* характеристике,, возможно* одновременно-; осуществить- т усиление межмодовой; и подавление: низкочастотной»: частеш спектрам выходного* излучениям лазера:. Это принципиально^ позволяет, как> и; в= случае: активно^пассивньгх схем [3 5, 11], генерировать длинные цуги УКИ; Использование же пассивного модулятора в расематриваемом методе позволит сократить длительность генерируемых УКИ [13];
Тот факт, что данный способ позволяет создавать длинные цуги УКИ, а открывает определенные перспективы их использования в медицинских целях.
При достаточных энергетических параметрах, интенсивность генерируемых ' УКИ может достичь порога штазмообразования при взаимодействии с мишенью.:. В этом случае эффективность лазерной обработки биологических тканей, по сравнению с другими методами, оказывается гораздо выше [14]. С одной стороны это вызвано низкой теплопроводностью плазмы, что * препятствует эффективному проникновению энергии в глубину объекта. С другой стороны реализация энергии за длительное время, в среднем, таюке сводит побочные явления взаимодействия выеокоинтенсивного излучения с живыми тканями к минимуму.
Резюмируя выше сказанное, можно заключить, что в условиях динамичношл развития:; исследований! связанных^, с; плазмой,, возникает необходимость в:, простых, лазерных установках, способных, ее: создавать, вызванную1 с г однож стороны:: получением?: объекта; исследования-, а: с другой стороны- еозданиемп инструментам лазерно-плазменнош обработки; Использование лазера?, є;электрооптическож ОС позволяет- удовлетворить, эти. потребноетям^тем-самым; обуславливая? актуальность данношработы.
Цель диссертащионнойтшботьт;
Целью;? данной; работы*: является* разработка; лазерной; системы-, с электроошжческой; обратнош связбкь позволяющей; генерировать- импулъсьъ в; Ш:: пикосекундномґ диапазоне длительностей? е,достаточно^высокошэнергиешцуга^ целом;
Научная новизна работы определяется! комплексом; впервые: полученньтХіВіХ^де:проведеннь№исследований«результатов:
1. Разработан и реализован оригинальный высоковольтный ВЧ усилитель для цепи обратной связи с полосой пропускания не менее 500 МГц и коэффициентом усиления по напряжению в ней не менее 10. Высокочастотность усилителя позволяет осуществлять регенеративный режим осуществлять одновременную низкочастотную стабилизацию мощности ^ генерируемого излучения.
2. Впервые разработан лазер, в котором получены стабилизированные по амплитуде цуги УКИ с общей плотностью энергии 3.5 Дж/см, при длительности не менее 1 мс. * 3. Впервые в разработанном лазере с электрооптической ООС и пассивным фильтром продемонстрирована генерация цугов УКИ, с длительностью существенно меньшей, чем в случаем использования только ООС.
4. Установлено, что одной из причин ограничения энергии выходного излучения^является*фоторефрактивный;эффект в'Кристалле КЛШ;: входящем в состав? зяектрооптичеекогої модуляторам цегпв С, Проведенные- исследования показали^, что,- при* уменьшении1 дяинш кристалла- возможно; дальнейшее-увелйчение-плошоетишьжоднойЬнерЕитлазераї-
51.. Впервые:, определено? выражение;- для* тензора* фоторефрактивньтх коэффициентов- на? базе:;: рассмотрениям термодинамических', свойства кристалла:. т ЇЇШШі Показано- что^тензор?; фоторефрактивныж коэффициентов^, ввЕристаллах:
ЕїЖШЕї под обеютензор^ электрооптических; коэффициентов;
Достоверностьрезультатовшсследованишопределяется/исполвзованием: Wt В!зкєперимен-тах:етандартонвжїметодикшзмерении^.временньїх^и;знергетинеских. характеристик; излз^ения'їсі-зметомістатистичеекошобработішїщанньїж..
Практическая значимость работы.
Не* результатам;* работы- бъшш. создана? лазерная^ система,- генерирующая- УКИ- с. длительностями в пикосекундном диапазоне. Ее отличием от уже. существующих аналогичных установок является простота конструкции и обслуживания, при генерации излучения с неуступающими1 характеристиками. Соотношение энергетических: и временных параметров- генерируемого * излучения, вполне позволяет достигать порога плазмообразования на мишени при фокусировке. Тем самым этот факт открывает возможность использования * данной установки в лазерно-плазменных технологиях медицины. С другой стороны, способность установки генерировать цуги с длительностью не менее 1 мс является преимуществом в; случаях, когда требуется обеспечить длительное воздействие мощных УКИ, в ряде прикладных задач.
Основные защищаемые положения:
Г, В;; твердотельном* лазере- с регенеративно»; ФС генерируются цуг» УКИ? ^HTeflbHOCTBra^eiMeHee^l^GS.npH^imOTHOeTH^HepEHHi'S'iS^SE/eM?..
2., Наличие, фоторефрактивного* эффекта: в^управляющем« элементе; на основе криеталлшВЬШВ "ограничивает; выходную^энергию^рассматриваеморо«лазера.. 3L Тензора фоторефрактивньш коэффициентов;,определяющих- меру изменения диэлектрической? непроницаемости^ среды?, ирш поглощении; энергии ирох^дящегоздзлученияу.штензор;э^
Апробация результатов;
Основные; результаты:, работы; докладывались« на^ международной^ конференции; і(ШІЩШіШ' 2005* (ранкт-Пётербург; 2005: г)у. конференции-"Saratov 1аШ; meetmg" (^Саратов.: 2003^. конференции? "Лазеры; т биологии? и; медицине" ^анкт^Жетербурп 2004; ж,.. 2005 г.)^ конференции;" Лазерьвизмерения і информация" ^СанктгШтербург; 2004 тф... 7-ош ж Ш-ош межвузовских конференциях', студентов; nt молодьш ученых; г., Волгограда; и Волгоградской1 области, на семинарах кафедры лазерной физики ВолГУ.
Публикации.
Материалы диссертации представлены в 10 научных публикациях [15-24], из них 3 статьи в центральной печати [15, 1.6, 21] и 3 публикации в международных сборниках [22-24].
Структура и объем диссертации^
Работа состоит из 7 разделов - введения, пяти глав и заключения. Общий объём диссертации составляет 113 страниц машинописного текста, включая 53 рисунка и список литературы (89 наименований). Нумерация формул и рисунков двойная — первая цифра означает номер главы, вторая - порядковый номер формулы или рисунка в главе.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во*- введения- обоснована^ актуальность:. темы* диссертации, сформулированвь цели* исследования- т основные1 защищаемые,- положения, отмененьїіна^наяшовизна.и-практическаяіпзначимостьработьіу кратко изложено содержание: диссертации;ш приведены, основные результата/работы,
Вглаве:1:проведен«обзоршо;исполъзованиюдв^ обратной* связш в;: лазерах^. Указано^ ее:: использование:: для* стабилизации^ характеристик?;генерируемого излучения*.,как-: вірежиме*- свободной генерации, таю:т. в? режиме: синхронизации*модї.. писаны;,конкретные:- схемы*построения ( с:указаниемшсновных? параметров:
Мроведен обзора основных;: свойств- эффекта* высокотемпературной; фоторефракци№ в? кристаллах: ЕЖЕШ: Жриведеньъ результаты-, экспериментальных, исследовании; его-- временных, амплитудньш и. пространственных^ характеристик-;: т рамкаж ранее1 проведенных работ [25}. Указан многокомпонентный* характер1 фоторефрактивного отклика обусловленный различными механизмами возбуждения и соответствующими характерными временами релаксации. Проанализирована зависимость фотоиндуцированного электрического поля Ерг от плотности энергии возбуждающего излучения: Также было установлено, что/ приводящее к эффекту высокотемпературной фоторефракции в кристаллах DKDP фотоиндуцированное электрическое поле локализовано в зоне взаимодействия возбуждающего излучения с кристаллической средою.
Проведен анализ лазера с отрицательной обратной связью и фоторефрактивной ячейкой в резонаторе, на устойчивость [26]. Аналитически и графически определено положение области устойчивой (моноимпульсной) генерации. Указано на функциональную связь средней мощности генерации с параметрами цепи обратной связи и фоторефрактивной среды, на границе области устойчивости. Аналитическое рассмотрение переходного процесса в электрооптической ячейке охваченной цепью обратной связи [27] показало, что при определенных значениях коэффициента ОС, мощности лазерного излученияш.временшзадержкшнастуиает ее: возбуждение:
В* шіаве 2у на основании? рассмотрения: проведенного; в. обзоре, были конкретизированы:, требованиям т: шепи:; Є в* цєломї w усилительному звену в частности;, дшр обеспечениям регенеративного* режима.: работы... Ма, их, основе предложена? схемам ж конструкция^ широкополосной* высокочастотной: усилительной установки^ котораш была* виоследєтвшй создана;.. Приведены оценкщ амплитудно-частотных характеристик: созданного усилителя: Исследовалась, реакция? на. короткие, ирямоуголвные*, импульсы:- с заданными параметрами» Частотная^ характеристика- усилителя^, показала,-, что- полоса уєиленияше менее ;500*МР%. прюкоэффициенте :уеилениящгнейше:менее: . l=0v ^ главе: 3! рассмотрена^ экспериментальная* установкам лазерам с регенеративнош обратной; связью», В5; этой/ установке;: были: реализованы^ режим как- пояожителыгощ. так; ш отрицательной* обратной;: связно Кроме: tofoj. эксперименты; былш приведены* для* двух: активных^ элементов* идентичных ПО: химическому составу,, но< различающихся1 геометрическими размерами. Для случая: активно го элемента минимального размера, экспериментально доказано возбуждение» в--: таком лазере: режима синхронизации мод, только- для случая положительной ОС. В случае отрицательной обратной связи возбуждения ее цепи не происходило и- проявлялось лишь, стабилизирующее действие. Возбуждение режима синхронизации мод, с помощью регенеративной обратной связи, в случае ООС было осуществлено только активно-пассивным способом. При этом использование пассивного фильтра в случае положительной ОС существенно увеличило контраст УКИ и привело к дополнительному сокращению их длительности.
Для активного элемента максимальной протяженности и апертуры в случае отрицательной обратной связи без пассивного фильтра, было экспериментально доказано установление режима синхронизации мод. При использовании же пассивного фильтра наблюдалось существенное сокращении длительности генерируемых импульсов. Полученные значения плотности выходной энергии для случая отрицательной обратной связи не превысили 3.5 Дж/ем?..
Также было? экспериментально^ установлено; возбуждение фоторефрактивных, процессов;. в*, кристалле: Е)КР/ идентичному использованному в? лазерной^ установке: Теоретическое ш экспериментальное рассмотрение;: позволило? определить-, их.. как; возможную;? причину ограничения-плотности г вБжодно№энерЕИ№ лазера^ оеновБ1ваясБ= на? двух;, фактах: изменение; модуляционных, свойетвг; кристалла' при- прохождению мощного; лазерного излучениям уменьшение длины: <ШJкристалла.; находящеЕОєя;.внутри резонатора приводит кйувеличению:вых0дно№энергившазера;;,
ВйРлаве:4шроведено^рассмотрение: фоторефрактивных свойств* кристалла ШШВ' выше8 тонкие Шориі на: основе-; феноменологического;- подходам В" совокупности; с ранними;; исследованиями:; 28]1 это?1 позволило; ввести; тензора фоторефрактивньш коэффициентов- который» как иоказало^исследование, тесно1 связан* е; тензоромй линейных;; эяектрооптических:; коэффициентов- В; этих кристаллах.. Эта, связью є одной; стороны.; позволила записать: в явном виде тензора фоторефрактивных коэффициентов для: кристалла DKDP, а с другой стороны позволила произвести феноменологическую оценку значения одного из них, основанную на результатах экспериментов по измерению амплитуды индуцируемого фоторефрактивного поляпри продольном эффекте, описанных в 1 главе.
Рассмотрено прохождение лазерного излучения через электрооптическую ячейку при наличии, как внешнего электрического поля, так и поля возникающего в кристалле под действием самого излучения. Проведенное исследование позволило выделить потери, вносимые модулятором на основе этой ячейки, вызванные каждым из полей в отдельности. На его основе были предложены два способа уменьшения влияния индуцированного поля на работу модулятора: уменьшение длины кристалла, приложение дополнительного внешнего электрического поля.
Также в этой главе проанализирована возможность увеличения доли межмодовои компоненты в спектре лазерного излучения посредством регенеративной обратной связи. Обнаружено наличие пороговых условий, по мощности лазерного излучения, для возбуждения цепи OG. Установлены значения времени задержки прохождения сигнала по цепи ОС, для ее. возбуждения на межмодовои частоте лазерного резонатора.
В главе 5 рассмотрена экспериментальная установка на базе етрик-камеры "Взгляд-2" (ВНИИОФИї г. Москва). Эта установка позволила провести исследование временной структуры УКИ в твердотельном лазере е регенеративной обратной связью. Оценки, проведенные на основе полученных результатов, позволяют утверждать, что длительность генерируемых УКИ не менее 100 пс на полувысоте.
В заключении сформулированы основные положения диссертационной работы, обобщены основные полученные в работе экспериментальные данные по динамике генерации твердотельного лазера с регенеративной обратной связью.
