Введение к работе
Актуальность темы. В лазерной технике сужение линии генерации является традиционным этапом в улучшении характеристик лазеров, что расширяет область их применения в науке, технике и медицине. Естественная ширина линии генерации в лазерах на свободных электронах (ЛСЭ) определяется шириной линии усиления, которая ограничена качеством электронных пучков, получаемых в современных ускорителях. На байпассе ВЭПП-3, как и на других накопителях, реализована модификации ЛСЭ - оптический клистрон (ОК). В ОК ширина линии ограничена энергетическим разбросом электронов в пучке, и составляет величину порядка ДД/А « Ю-3 -г- Ю-4. Так как оптический клистрон па байпассе ВЭПП-3 работает в режиме синхронизации мод и коэффициент усиления в красной области спектра равен 10%, то в качестве селективного элемента в экспериментах по сужению линии генерации была выбрана плоско параллельная кварцевая пластинка, установлена внутри оптического резонатора нормально к его оси.
Как и для традиционных лазеров с однородно уширенной линией усиления в ЛСЭ в экспериментах по сужению линии генерации растет спектральная плотность излучения.
Оптический клистрон на байпассе ВЭПП-3 из-за пульсаций усиления работает в режиме "пичковой" генерации. Использование внутрирезона-торной плоскопараллельной пластинки позволяет стабилизировать генерацию в ОК.
В диссертации описана модификация оптического резонатора для экспериментов; полученные результаты и их сравнение с теоретическими расчетами сужения линии генерации в красной области оптического спектра.
Цель работы. Целью настоящей работы является:
модернизация оптического резонатора на байпассе для удобства про ведения экспериментов по сужению линии генерации (разделение резонатора на вакуумную и невакуумную часть с помощью кварцевого окна, установленного под углом Брюстера);
оценка вносимых потерь пластинкой, связанных с неидеальностые ее изготовления и, на основе этих оценок, выбраковка пластинок после измерения ее параметров;
разработка метода для определения полных потерь в резонатор* при наличии в нем пластинки;
теоретическое исследования ширины линии генерации с и без пластинки в ЛСЭ и ОК в стационарном режиме и режиме гигантски импульсов;
теоретическое исследования при наличии в резонаторе пластинки продольного распределения излучения; уменьшения коэффициенте усиления, и минимально возможной ширины линии генерации;
создание системы диагностики и измерение ширины линии генерации.
Научная новизна. Проведен эксперимент по сужению линии генерации в оптическом клистроне. Получена минимальная ширина линии А = 0.017Л, которая является рекордной в мире и более чем в 30 раз уже, чем в экспериментах без пластинки.
Приведены оценки вносимых пластинкой потерь в оптический резонатор, связанные с неидеальностью ее изготовления и разработан метод из измерения, основанный на измерении добротности резонатора по времени затухания свободных колебаний в нем.
Теоретически исследовано продольное распределение излучения в опті ческом резонаторе при наличии в нем плоскопараллелыюи пластинки іі получены простые модельные решения (т.н. супермоды). При малом коэффициенте усиления существует лишь одна супермода. Исходя из уменьшения коэффициента усиления в ОК, связанного со "сносом" излучения пластинкой, получена оценка максимальной толщины пластинки и, соответственно, минимальной ширины линии генерации.
Практическая значимость результатов. Проведенный эксперимент пр демонстрировал возможность получения узкого спектра излучения ЛСЭ. что позволяет повысить конкурентоспособность ЛСЭ по сравнению с традиционными лазерами и расширить круг возможных его применений. В
частности, разработанная методика сужения линии может быть полезна для фотохимических применений ЛСЭ и разделения изотопов.
Разработанный метод измерения полных потерь в оптическом резонаторе при наличии пластинки может быть применен в экспериментах с другими внутрирезонаторными селективными элементами как и в ЛСЭ так и в традиционной лазерной технике.
Разработанные методы измерения спектральных линий с шириной около ДА/А « Ю-6, аппаратура и программное обеспечение могут быть использованы в других экспериментах.
Автор выносит на защиту следующие результаты проделанной работы:
-
Предложено использовать плоскопараллельную прозрачную пластинку в качестве внутрирезонаторного частотно-селективного элемента для ЛСЭ.
-
Получены оценки ширины линии генерации в ЛСЭ с внутрирезона-торной плоскопараллельной пластинкой и пределов применимость этого метода сужения линии.
-
Предложена простая, точно решаемая, модель для нахождения продольных супермод в ЛСЭ.
-
Создан оптический резонатор для экспериментов по сужению линии ЛСЭ и аппаратура для измерения ширины линии.
-
Продемонстрировано сужение линии ЛСЭ более чем в 30 раз, и достигнута ширина линии 2 10~2л в видимом диапазоне.
Структура работы. Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения. Текст иллюстрирован 11 рисунками, список литературы включает 75 наименований.
Апробация диссертационной работы. Основные результаты, вошедшие в диссертацию, докладывались на Девятой национальной конференции по использованию синхротронного излучения (СИ-90, Москва, 1990г.); на Двенадцатой международной конференции по лазерам на свободных электронах (Париж, 1990г.); на Пятнадцатой международной конференции по лазерам на свободных электронах - два доклада (Гаага, 1994г.); а также на семинарах в ИЯФ им. Г. И. Будкера СО РАН.
Публикации. По теме диссертации опубликовано пятнадцать работ.
Похожие диссертации на Генерация узких спектральных линий в оптическом клистроне на байпассе ВЭПП-3
