Введение к работе
Актуальность работы. Создание эффективных нелинейно-оптических преобразователей, обладающих рядом уникальных свойств, является актуальной задачей лазерной физики. Исследование эффектов, лежащих в основе таких устройств, наряду с несомненным прикладным аспектом имеет важное фундаментальное значение, расширяя представления о природе волновых процессов и физике взаимодействия света с веществом.
Среди наиболее значительных достижений нелинейной оптики последнего десятилетия достойное место занимают исследования процессов параметрической генерации в поле лазерных пучков,пересекающихся в средах с сильными кубичными инерционными нели-нейностями. Наряду с рекордно низкими порогами, обусловленными как "гигантскими"козффициентами оптической нелинейности, так и механизмом взаимодействия еолн, исследования параметрической генерации выявили ряд общих закономерностей, присущих этим процессам. Так в результате параметрической генерации в фотс-рефрактивных кристаллах были обнаружены эффекты пассивного фа-зоеого сопряжения(обращения волнового фронта( ОВФ))и двойного фазового сопряжения некогерентных лазерных пучков,*генерация волн,обращенных к пересекающимся под малым углом пучкам.была зафиксирована в результате их совместного обратного вынужденного рассеяния Мандельштамма-Бриллюека (ЕРМБ).На оснсеє исследования общих закономерностей четырехволнового взаимодействия (в наших работах!2,31 и в работах других авторов^был предсказан эффект самообразсния для параметрической генерации встречных пучков за счет их совместного релеевского ЕР вперед. Однако, вопрос о реальном наблюдении этого эффекта оставался до последнего времени,по-существу,открытым. Эффект ОВФ был зарегистрирован при параметрической ВРМБ-генерации вперед и генерации в резонансно-поглощающих средах,а также при пагаметри-
ческой генерации, в слое нематического жидкого кристаллаГ НЖК) с оркентациокной нелинейностью. Теоретические передсказания бьиш подтверждены и в результате наших исследований вынужденного температурного рассеяния (ВТР) вперед излучения маломощного непрерывного лазера,сфокусированного в слой НЖ с зеркальной стенкой [10,11,12]. Исследования возможностей ОВФ при параметрической ВР-генерации для кназинэпрерывного лазерного излучения малой мощности являются тем более актуальными,что традиционный метод самообращения при обратном ВРМБ требует достаточно высокой мощности накачки и для („световых импульсов большой длительнос-ти (Ш ...Юс) ограничивается эффектами теплового самовоздейс-
-2 .)
твия уже при поглощениях средыо&>/Юсм. Для реализации же метода ОВФ при четырехвблновом смешении (ЧЕС) требуются взаимносоиря-женкые опорные волны и взаимная когерентность сигнала и накачки, б то время как,эффекты параметрической генерации при В? реализуются и для некогерентных пучков накачки. Делью настояс а диссертационной работы является: теоретическое и экспериментальное исследование динамики нелинейного взаимодействия лазерных пучков на крупномасштабных пропускающих решетках показателя преломления среды с инерционной нелинейностью, параметрической неустойчивости сеєтовьк пучков за счет их совместного рассеяния на таких решетках; изучение возможностей реализации эффектов самообращения и взаимообращения волновых фронтов лазерных пучков за счет параметрической генерации;, разработка и экспериментальная проверка модели сильной тепловой нелинейности НЖК и оптимизация НЖК-ячеек для нелинейно-оптических преобразований в широком диапазоне лазерных длин волн; исследование эффектов теплового самовоздействия» препятствующих реализации ОВФ при обратном В? и 0BB-4EJ в нелинейных средах с поглощением света.
Научная новизна работы состоит в следующем: 1. Построена теория неустойчивости встречных лазерных пучков при их совместном вынужденном рассеянии вперед в слое среды с локальной инерционной .нелинейностью. Исследованы пространственные структуры генерируемых волн при различных пространственных структурах накачки: плоских волнах,однородных и спекл-неодно-родных пучках. Показано,что в результате параметрической генерации при ВР вперед встречных некоррелированных ме'дду собой пучков максимальным инкрементом могут обладать волны с комплексно-сопряженными к накачкам волновыми фронтами. Доказано, что условие ОВФ встречных спє-кл-пучков выполняется в том случае, когда их дифракционные длины соизмеримы с длинней области нелинейного взаимодействия.
-
Экспериментально обнаружена неустойчивость встречных одно-родных пучков квазинепрерывного Nd : YAG-лазера в слое ІЇЖК с тепловой нелинейностью,приводящая к генерации пространственных сателлитов накачки. Обнаружены эффекты самообращения и взаимо обращения при параметрической генерации в результате ВР впере,г сфокусированных пучков неодимового лазера,пересекающихся в HJS -слое с красителем.
-
Теоретически исследовано, влияние тєплоеой еамомодуляц;::' пучка на его ВР.ОВФ при обратном ВР и на VTC. Показано, что то;; ловая самомодуляция повышает пороги обратных ВР, угіряет и смещает их спектральные линии.срыват Оі>ї> при обратном ВР снижает коэффициент отражения ЧЕС-зеркала
4,. Экспериментально и теоретически исследовано изменение коэффициента тєплоеой нелинейности НЖК вблизи фазового перехода нематик-изотропная жидкость. Реализовано 6-ти кратное усиление слабого сигнала при самодифракции в НЖК-слое пучка излучения СО.-лазера
' 5. Найдены приближенные аналитические решения задачи о нестационарных режимах насыщения попутных ВТР и ВРМБ.
Практическая ценность работы. Исследования явления параметрической неустойчивости при попутном ВР встречных пучков, и эффекта ОЕФ при параметрической генерации позволяют дать рекомендации по созданию лазерных систем .использующих ОБФ-зеркала.
Исследования тепловой нелинейности НЖК, физических свойств рада жидкокристаллических соединений позволяют создать ячейки для нелинейно-оптических преобразований в ближнем .и среднем ИК -диапазонах.
Исследования влияния теплового самовоздействия на ВР позволяют определить --границы осуществимости эффекта ОВФ при обратном ВР.
Результаты приведенные в диссертации были использованы при разработке лабораторной работы "Методы нелинейной коррекции световых пучков" для студентов старших курсов ННГУ.
Аппробация pa оты. Материалы диссертации докладывались на 5-ой и 6-ой Всесоюзных конференциях "Оптика лазеров"(Ленинград, 1987 г. ,1989г.),на 1-ой и 2-ой Всесоюзных конференциях "Обращение волнового фронта'Ч Минек,1986г. ,1983г.),на Международных конфе-Рєеииях"КиНО"(Ленинград,1991г.) ,по жидким кристаллам( Вильнюс .1991г.)-, на семинарах институтов проблем механики АН СССР(1985 г) и МИФ АН СССР; Всесоюзных школах по голографии(Минск,1983г.), по нелинейным волнам(Горький,1985г.),по йлдким кристаллам( Алушта, 1988г.),Международной школе по фазовому сопряжению(Прага, 1991г.)
Структура и обьем работы. Диссертация состоит из введения,трех глав и заключения. Она содержит 37 рисунков,1таблицу.библиографию из 108 наименований. Полный обьем составляет 1кЪ страницы.
Во Введении обоснована актуальность темы исследования,сформулированы его цель.научная новизна,место работы среди работ других авторов. Кратко описан круг вопросов,рассмотренных в диссертации.приведены положения.выносимые на защиту.
В первой главе приведены результаты экспериментальных и теоретических исследований энергообмека попутных световых волн. В рамках трехволновой модели(две световых волны и звуковая или тепловая волна среды)рассмотрена нелинейная стадия нестационарных ВТР и ВРМБ вперед. С помощью автомодельной подстановки и приближенного интеграла системы нелинейных уравнений построено решение, описывающее колебательный характер энергообмена световых волн. Проведен численный счет задачи,подтверждающий полученные аналитические решения.
На основании измерения температурных зависимостей показателей преломления некоторых НЖК и обобщения литературных данных уточнена модель их тепловой нелинейности. Показано.что силь-ное(почти на два порядка величины)возрастание коэффициента нелинейности обусловлено температурными изменениями параметра ориентационного порядка,которые особенно значительно увеличиваются за 2.. 4 К до температуры фазового тгерехода (ФП) .нематик -изотропная жидкость: величина температурного градиента параметра меняется в зависимости от химического состава и чистоты НЖК-материалов. На основе исследований термооптических свойств, прозрачности,температур существования мезофазы,статической электрической восприимчивости найдены оптимальные для нелинейно-оптических экспериментов нематические смеси и соединения.
Построенная модель тепловой нелинейности проверялась в экс-, периментах по возбуждению пропускающих решеток показателя преломления в созданных НЖК-ячейках пучками излучения квазинепре-рывного С02 -лазера и самодифракции на этих решетках
записывающих их" пучков. Экспериментально и теоретически исследовано . усиление слабого ИК-сигнала при самодифракции накачки, при этом достигнуто шестикратное абсолютное усиление.
Во второй^главе диссертации приведены результаты исследований влияния тепловой самомодуляции световых пучков на их реле-евское ВР,.. ОВФ при обратном ВР и ОВФ-ЧВС. Показано,' что при 'обратном ВР, когда изменение частоты света на трассе его распространения (в результате нестационарного теплового расширения среды в канале лазерного луча) превышает ширину линии спонтанного рассеяния, 'яар..ріаются условия синхронизма накачки и встречной волны Р5ССЄЯНИЯ, что приводит к уменьшению нестационарного .'и стационарного инкрементов, увеличению ширины линии В? и ее смещений в "синюю" сторону. В результате,уже при пог-лощениях о=Ю -10 см для длительных лагерных импульсов-(10 -10 сек) существенно возрастают пороги обратных ВР, уменьшается мощность стоксовой волны при ВРМБ, а обратное ВТР может полностью подавляться. Доказано, что для коллимированкых пучков накачки,когда отношение дифракционный длины к толщине нелинейного слоя намного больше чем отношение длительности лазерного импульса к времени релаксации отражающей решетки, тепловая са-момодулЯция значительно сильнее ограничивает обратное ВР, чем тепловая самодефокусировка. Для сильносфокусированных же пучков эффект теплового уширения фокальной перетяжки более существенен для их обратного ВР, чем еамомодуляция.
Показано, что при нестационарной тепловой самомодуляции ик-кеыэнт обращенной к слекл-накачке волны рассеяния изменяется сильнее, чем инкремент некоррелированных волн. В результате этого нарушаются условия дискриминации необращенных волн, и тем самым срывается эффект ОВФ при обратном ВР. Тепловое замывание отражающей решетки также существенно ограничивает эффективность ОВФ-ЧВС оч.фкал, но и предотвращает их самовозбуждение. ;-;
В третьей главе диссертации приведены результаты' исследований эффектов параметрической неустойчивости и ОВФ пересекающихся лазерных пучков при их релеевском ВР вперед в слое среды с кубичной инерционной нелинейностью. В НЖК с теплсЕсй нелинейностью экспериментально обнаружена неустойчивость встречных однородных по поперечному сечению пучков излучения Nd : YAG-лазера, приводящая к генерации их пространственнных сателлитов. Теоретически доказано, что такая неустойчивость однородных пучков к гармоническим возмущениям волновых фронтов обусловлена их совместным попутным ВР на тепловых пропускающих решетках показателя преломления.
Показано,что для лазерных пучков с расходимостью 8 .пересекающихся под углом. 8 в слое нелинейной среды,гармонические возмущения поперечного сечения не развиваются, когда попутные плосковолные компоненты рассеяния становятся независимыми (если их расстройка на характерной длине нелинейного взаимодейс-твия достигает заметной величины: КЕ (8 + 8^8) >1). В этом случае возможно совместное рассеяние почти встречных накачек, приводящее к генерации волн, распространяющихся навстречу к ним. Зависимость порога генерации от пространственной расстройки четырехволнового синхронизма, показывает, что для сред с локальной инерционной нелинейностью минимальный порог генерации соответствует ненулевой пространственной и частотной расстройке взаимодействующих волн. Найденное стационарное решение нелинейной задачи взаимодействия четырех световых волн (при некол-линеарных плоских накачках), доказывает, что интенсивность генерирующихся пучков ограничивается только поглощением среды и коэффициентом отражения зеркала (в случае зеркальноотражаю-цей границы нелинейного слоя).
Показано,что для встречных пучков, длина спекл-неоднородностей которых существенно меньше толщины слоя с локальной нелинейностью, минимальный порог генерации достигается для обращенных
волн!.(без пространственной расстройки четырехволновоги синхронизма). Получена система уравнений,описывающая поведение огибающих квазиобраідонних пучков генерации в поле встречных ограниченных по . поперечному сечению спекл-пучков накачки. Показано, что условия дискриминации высших мод огибаюшей таких волн генерации выполняются в том случае, когда дифракционная длина спекл-пучка становится соизмеримой с толщиной нелинейного слоя. Экспериментально обнаружена параметрическая генерация в поле
3+
излучения Nd : YA3-лазера,сфокусированного в слой НЖК с зеркалом, и в поле, двух некогерентных пучков ток о же лазера, сфокусированных с противоположных сторон в НЖК-ячейку с прозрачными стенками. Продемонстрировано, что эффект ОЕФ при параметрической генерации реализуется в тех экспериментах, в которых дифракционная длина пучков соизмерима с размером области их пересечения внутри нелинейного сдоя. Исследование "качества ОВФ", показало, что необращенный фон в зтих экспериментах обусловлен как засветкой, зеркальноотраженной (или встречной) накачки, распространяющейся под малым углом к ОВ<1>-волне, так и перегревом НЖК в фокусе лазерного пучка при его больщой мощности. 06-карулена также параметрическая генерация в поле одномодового пучка СО»-лазера в НЖК-слое с зеркальной стенкой.
В заключении сформулированы основные результаты., полученные в диссертации: 1. Найдены приближенные аналитические решения задач о нестационарных режимах насыщения попутных ВТР и ВРЫБ,показывающие, что на нелинейной стадии происходит коллебательный энергообмен между волнами накачки и рассеяния в пространстве и во времени. 2. Разработана модель тепловой нелинейности БЖК, учитывающая изменение коэффициента нелинейности е результате лазерного нагрева среды. Выявлены образцы НЖК,наиболее пригодные для нелинейно-оптических преобразований в ближнем и среднем ИК-диа-
пазонах. В ячейках с соответствующими жидкими кристаллами экспериментально реализовано 6-ти кратное усиление слабого ИК-сигнала при самодифракции в тонком слое НЖК.
3. Исследовано влияние тепловой самомодуляции пучка на его
ВР, ОВФ при обратном ВР и четырехволновое смешение. Показано,
что тепловая самомодуляция повышает пороги обратных ВР,увели
чивает и смещает их спектральные линии, срывает ОВФ при обрат
ном ВР и снижает коэффициент отражения ЧВС-зеркаяа.
4. Экспериментально обнаружена неустойчивость встречных одно
родных пучков излучения неодимового лазера в слое НЖК, приво
дящая к генерации пространственных сатй^литов накачки. Показа
но, что эта неустойчивость связана с совместным рассеянием
накачек на крупномасштабных возмущениях показателя преломления
среды.
5. Исследована неустойчивость яеколлинеарных волн в среде с локальной инерционной нелинейностью. Определены зависимости порога параметрической генерации и частоты волны рассеяния от расстройки четырехволнового синхронизма, отношения интенсив-нсстей накачек, поглощения слоя.
6. Исследована неустойчивость встречных спекл-пучков. Показа
но, что при толщине слоя с локальной нелинейностью большей
длины спекл-неоднородностей минимальным порогом обладит обра
щенная волна рассеяния. Для ограниченных по поперечному сечению
пучков определены условия дискриминации высших мод огибающей
квазиобращенных пучков генерации.по сравнению с ОВФ-волной.
7. Экспериментально обнаружена и исследована параметрическая.
генерация в НЖК-слоях с тепловой нелинейностью в поле пучков
і*
квазинепрерывных Ncr : YAG-лазеров и СО,-лазеров. Обнаружены эффекты самообращения и взаимообращения излучения неодимового лазера при параметрической генерации в слое НЖК.
Основные результаты диссертации опубликованы в работах:
-
Актипов О. Л .Пасманик Г. А. Неустойчивость световых пучков с нестационарным волновым фронтом в инерционной кубической среде. //Методы и устройства оптической голографии. Сборник научных трудов. - Jb ФТИ , 1S83 , стр. 14-35.
-
Антипов О. Л. , Беспалов В. И., Пасманик Г. А. О новых возможностях генерации сопряженных накачкам пучков при вынужденном рассеянии встречных световых волн. //ЖЭТФ, 1986, т. 90, вып. 5, с. 1577-1587.
-
Антипов 0.JL,' .Беспалов В. И., Пасманик Г. А. Об условиях формирования обращенной волны при попутном ВР пересекающихся лазерных пучков// ' Сборник трудов конференции ОВФ-86. Минск, 1987, стр. 230-ЕЗб.
-
Антипов О. Л. О влиянии теплового изменения фазы светового пучка на его ВР и ОВ&// Квантовая электроника, 1987, т. 14, N4; с.728-734.
-
Антипов О. Л., Хазансв НЕ 00 автомодельных решениях нелинейной задачи нестационарного попутного вынужденного рассеяния света //Изв. вузов. Радиофизика, 1987. с. 30, N 1, с.49-55.
-
Антипов О. Л., Бетин А. А., Жуков Е. А., Новиков Е П. , Тургенев С. Г. Четырехволновое взаимодействие длинных импульсов излучения среднего ИК-диапазона в органических растворителях. // Тезисы докладов Всесоюзной конференцш"Онтика лазеров", Л: ГОИ, 1987, с. 342-343.
-
Актипов О. Л., Бетик А. А., Жуков Е. А., Тургенев С. Г. Влияние нагреЕа среды на четырехволновое взаимодействие длинных импульсов излучения среднего ИК-диапазона. // Препринт ИШ> АН СССР, N 193, Горький, 1988, 30с.
а. Актипов 0. Л.,. Беспалов В. И. , Беткн А. А. Самодифракция из-
лучения СО -лазера в НЖ вблизи фазового перехода нема-тик-изотропная жидкость.//Квантовая электроника, 1989,т. 16, N 6, с. 1098-1100.
9. Антипов О. Л., Бетин А. А., Жуков Б. А., Тургенев С. Г. Четы-
рехволноЕое взаимодействие излучения среднего ИК диапазона в
средах с тепловой нелинейностью. // Квантовал, электроника.
1989, т.16, N 11, с.2279-2292.
-
Антипов О. Л. , Беспалов В. И. , Бетин А. А. ,Иудин Д. И." Тепловая нелинейность- НЖ в Ж-диапазоне. //Тезисы Есесоюзной конференции "Оптика лазеров-9С", Л.: ГОК. 1990, 250с.
-
Антипов О. Л. , Дворянинов Н. А . іІЬшкаускас В. Параметрическая генерация и ОВЇ> пересекающихся лазерных пучков в слое НЖ с красителем.//Письма в-КЗТФ, т. 90. в.12, 5991, с. 586-590.
-
Антипов 0. Л. Неустойчивость встречных-однородных лазерных пучков в слое среды с локальной инерционной нелинейностью. // Квантовая электроника, 1991, т. 18, N 12, с.2544-2549.
-
Antipov 0. L. Nematik liquid cnstals -thermal nonlinearity for phase conjugate mirrors.// Abstract of summer liquid crystals conference.Vilnjus,1991.v. . і 12,p. 126.
Введение.
Похожие диссертации на Параметрическая генерация при вынужденном рассеянии вперед встречных лазерных пучков
