Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время большое внимание уделяется исследование явления обращения волнового фронта (ОВФ) при нелинейных волновых процессах, что связано с перспективностью использования этого эффекта для решения целого ряда важных научных и научно-технических задач.Существует два традиционных метода создания обращенных волн: вынужденное рассеяние Манделыптама-Бриллюэна и четырехволновое смешение. В отличие от видимой и ближней ИК областей спектра в среднем инфракрасном диапазоне реализация эффекта ОВФ в процессах вынужденного рассеяния связана со значительными трудностями. Поэтому в среднем ИК диапазоне (х =2,5+и мкм), в котором работают мощные и эффективные химические, СО- и COj-лазеры, наибольшее развитие получил метод ОВФ на основе вырожденного четырехолнового взаимодействия (ЧВ). Традиционная схема ЧВ обладает рядом Несомненных достоинств. Однако, существенный недостаток этого метода состоит в необходимости идеально однородной нелинейной среды и точно обращенных друг другу мощных опорных волн, что значительно затрудняет реализацию ОВФ лазерного излучения с высокой мощностью. В этой связи особый интерес представляют разработки методов само-ОВФ в среднем ИК диапазоне, при которых ни к среде, ни к пучкам не предъявляются требования на идеальное оптическое качество.
Исследование само-ОВФ лазерного излучения среднего ИК-диапа-
зона в настоящее время направлены, с одной стороны, на разработку
метода ОВФ за счет четырехволнового взаимодействия с обратной
связью (при котором реализуется самонакачивающееся нелинейное
зеркало и отдельного источника накачки не требуется) и с другой,
на поиск перспективных нелинейных сред и получение в них самооб
ращения при вынужденном рассеянии.
В связи с этим являются актуаль
ными исследования, тему которых
можно объединить под названием
" четырехволновое взаимодействие
с обратной связью" (ЧВОС). Прин
ципиальная оптическая схема ЧВОС
показана на рис.1. Сигнальная
волна Et проходит через нелиней- Рис.1.
ную среду і и далее с помощью оптической схемы, включающей в себя в общем случав усилитель 2 и зеркала з, вновь направляется в нелинейную среду fe виде волны ез. При определенных условиях происходит генерация сопряженных Ег и Е3 волн Ег и Е4, причиной возникновения которых может быть рассеяние на флуктуациях диэлектрической проницаемости среду или спонтанный шум усилителя в оптической схеме. Волна Е^, совершив обход оптической схемы навстречу сигнальному пучку , трансформируется в сопряженную ему волну Ег, замыкая петлю обратной связи. Часть мощности волны Е проходит сквозь нелинейную среду без изменения направления и служит выходным излучением Ег. Процесс нарастания волн Е , Et происходит в сформированном кольцевом резонаторе, в котором нелинейная среда за счет наведенных в ней в результате взаимодействия волн амплитудно-фазовых решеток диэлектрической проницаемости эквивалентна некоторому зеркалу. Размещение в петле обратной связи усилителя позволяет расширить класс используемых в схеме нелинейных сред и получать значительно превосходящий единицу коэффициент отражения сигнального излучения.
Актуальность исследований возможности осуществления само-ОВФ при ЧВОС без использования дополнительных волн накачек, связана с наибольшей важностью таких схем для приложений, поскольку построенные на их основе ОВФ-зеркала наилучшим образом сочетаются с мощными лазерными усилителями. Тем самым актуальной является и задача исследования возможности построения на основе схем ЧВОС лазерных систем с предельными физическими возможностями.
Схема ЧВОС с усилителем в петле обратной связи, исследованию которой посвящена настоящая диссертационная работа, представляет собой лазер, управляемый внешним оптическим сигналом. На начальном этапе развития лазеров задача управления характеристиками выходного излучения решалась достаточно простыми средствами - с помощью управления одним из параметров резонатора, накачки или параметрами специально введенного в резонатор элемента. Относительная их простота определяется тем, что они характеризуются небольшим числом степеней свободы. С общефизической точки зрения представляет значительный интерес исследование поведения и возможностей управления многопараметрическими оптическими системами, обладающими сложными временными и пространственными характеристиками излучения (например, исследование захвата внеш-
ним оптическим сигналом пространственной структуры излучения лазера). В связи с этим перспективны теоретические и экспериментальные исследования, направленные на изучение лазеров с нелинейными голографическими зеркалами, управляемыми внешним оптическим сигналом, обладающим сложной пространственно-временной структурой, а также адаптивных систем на их основе. Разработка и исследование таких систем находятся в начальной стадии.
Целью настоящей работы являлось теоретическое и экспериментальное исследование пространственных, временных, спектральных и энергетических характеристик генерации при ЧВОС излучения С02-лазера, в том числе и исследование возможности самообращения волнового фронта пространственно неоднородного излучения в диапазоне л к 10 мкм. Наряду с этим, исследовались возможности создания на основе схем ЧВОС адаптивных лазерных систем среднего ИК диапазона для приема и отражения с ОВФ и усилением сверхслабых оптических сигналов.
Научная новизна работы заключается в следующем:
Впервые продемонстрирована возможность реализации ОВФ при ЧВОС пространственно-неоднородного излучения импульсного С02~ лазера. Реализовано отражение спекл-неоднородного сигнала с четко выраженной обращенной структурой на фоне шумовой компоненты.
Построена теоретическая модель для анализа энергетических характеристик схемы ЧВОС импульсного излучения в приближении стационарной генерации плоских волн на наведенной самопересекающимся сигнальным пучком заданной решетке показателя преломления нелинейной среды.
.- Предложен метод подавления одной из встречных волн генерации на выходе лазера с низкодобротным кольцевым резонатором без использования внутрирезонаторных невзаимных элементов и дополнительных внешних возвратных зеркал. Эффект подавления реализуется благодаря обеспечению линейной связи между встречными волнами из-за их взаимного переотражения на рассеивающих элементах внутри резонатора. Реализована дискриминация одной из встречных волн генерации на выходе импульсного С02- лазера с коэффициентом подавления более зо. Использование этого метода позволило обеспечить в схеме ЧВОС однонаправленную генерацию отраженной волны.
- Впервые экспериментально реализована схема ЧВОС с внешним
возвратным четырехволновым зеркалом, которое позволило осуществить дополнительное управление как пространственно-временными характеристиками отраженного от ЧВОС-зеркала излучения, так и распределением энергии между встречными волнами генерации в схеме ЧВОС.
- Впервые экспериментально реализована схема узкополосного
адаптивного многопроходового усилителя с четырехволновыми ОВФ
-зеркалами. При накачке ОВФ-зеркал излучением двух независимых
задающих генераторов реализован трехпроходовый С02-усилитель с
двумя ЧВ-зеркалами на основе тепловой нелинейности в жидкости
(cci4) с полным усилением 2-ю11.
Практическая значимость результатов исследований вытекает из следующего:
Разработка схем ЧВОС с усилителем в петле обратной связи в принципе решает проблему самообращения волнового фронта не только на длине волны \ = ю мкм, но и во всем среднем ИК диапазоне. Результаты экспериментов по отражению как одномодового, так и пространственно-неоднородного излучения С02 -лазера демонстрируют возможность использования схем ЧВОС с усилителем в петле обратной связи для реализации ОВФ.
Модель, построенная для численного анализа энергетических характеристик схемы ЧВОС, может быть использована для оптимизации параметров импульсных схем ЧВОС с целью достижения предельных энергетических возможностей по приему и отражению сигнального излучения .
Результаты исследования влияния обратного переотражения на внутрирезонаторных оптических элементах кольцевых лазеров на перераспределение энергии между встречными волнами генерации могут быть использованы для управления.распределением энергии во встречных направлениях генерации. В лазерах с низкодобротным кольцевым резонатором линейная связь встречных волн генерации при переотражении волн друг в друга позволяет реализовывать существенное подавление одной из волн. Обеспечение дискриминации одной из волн таким методом возможно и в тех диапазонах длин волн, где использование невзаимных вентильных устройств затруднено.
Построение схемы многопроходового усилителя, окруженного
двумя ЧВ-зеркалами, позволяет получать значительное усиление оптического излучения с корректировкой при каждом отражении от ОВФ -зеркала искажений волнового фронта, вносимых активной средой и оптическим трактом.
- Полученные результаты могут быть использованы при создании мощных источников высоконаправленного излучения среднего ИК диапазона, а также при построении адаптивных лазерных систем с предельными физическими возможностями.
Апробация результатов работы. Материалы диссертации докладывались на v ,vi Всесоюзных конференциях "Оптика лазеров" (Ленинград, 1986,1990), xiv Международной конференции по когерентной и нелинейной оптике (Ленинград, 1991), Международной конференции "Оптика лазеров" (С.-Петербург, 19?з), international conference in Lasers (Lake Tahoe, 1993), а также на научных семинарах ИПФ РАН и ННГУ.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 статей в отечественных и зарубежных научных журналах , і препринт ИПФ АН СССР, 7 работ в трудах международных и всесоюзных конференций.
Структура и объем работы: Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и заключения. Общий объем работы - 196 страниц, рисунков - 39, таблиц - 2, библиография - Ю2 наименования.
