Введение к работе
Актуальность темы. Активная синхронизация мод является в настоящее время одним из самых распространенных методов получения коротких импульсов. Несмотря на то, что исследования этого режима генерации лазера осуществляются на протяжении последних тридцати лет, постоянно проводящиеся эксперименты в этой области ставят задачи, решение которых требует рассмотрения этого режима генерации в новых конкретных условиях.
В частности, в последнее время для получения цугов стабильных коротких импульсов, использовавшихся впоследствии пр'-* точных измерениях в космической локации и дальнометрии, применялся рслим длительной (сравнимой со временем продольной релаксации) активной синхронизации мод при постоянной накачк<; с периодическим "вырезанием" импульсов во время этого длительного процесса. В связи с этим возникла и стала актуальной задача полного исследования такого длительного процесса, учитывающего значительные изменения инверсной населенности в активной среде и изменение параметров импульса. Такое исследование было проведено в данной работе.
Не менее актуальным с точки зрения эксперимента является анализ механизмов, препятствующих получению максимально коротких импульсо" при активной синхронизации. Помимо принципиальных ограничений на длительность импульсов, связанных с ограничивающими пектрами элементов лазера, существуют дополнительные меха-i пмы, в частности, дисперсия активной возбужденной сре,;ы, препятствующие полної" :инхронизации мод в лазере. Чтобы устранить или по возможности уменьшить негативное влияние этих процессов, необходимо подробно изучить их действие. Такое изучение также проводится в данной диссертационной работе.
В большинстве работ по активной синхронизации мод используется предположение о гауссовой форме получаемого импульса синхронизации. На основе этого предположения находятся' многие параметры образующегося импульса, определяются условия самосогласованности генерации в лазере. Форма импульса играет значительную роль при определении его длительности методом корреляционных функций, влияет на точность этих : імерений. анализ развития формы импульса при действии ограничивающих' синхронизацию процессов, который проводится в диссертации, позволяет решить вопрос о применимое і л данного предположения о гауссовой форме импульса при активной синхронизации мод.
Уменьшение длительности коротких ьмпульсов, полученной при активной синхронизации мод, в большинстве связано с использованием нелинейных процессов, и в частности, нелинейного зеркала. В связи с этим актуальным является получение правильных формул для расче-
гов таких нелинейных устройств и определение изменений параметров импульса синхронизации при прохождении через них. В частности, в данной диссертационной работе вычисляютп коэффициенты в экспоненциальной зависимости отражения нелинейного зеркала от интенсивности падающего на него излучения, а также развитие формы импульса, взаимодействующего с нелинейным зеркалом.
Исходя из вылесказанного, можно сформулировать основные задачи и цели диссертации.
Целью работы является теоретическое обоснование процессов, происходящих в твердотельных лазерах при длительней активной синхронизации мод. изучение механизмов, препятствующих полной синхронизации и определение степени их влияния на эти процессы. Также целью работы является изучение действия нелинейных устройств на проходящий через них импульс синхронизации.
Основные задачи исследования:
-
Построить численную модель расчета процесса длительной активной синхронизации мод с учетом значительных изменений инверсной населенности активной среды и параметров самого импульса. Провести расчеты по этой модели, используя реальные параметры твердотельных лазеров, и сравнить полученные результаты с экспериментальными данными.
-
Теоретически доказать релаксационный характер длительной активной синхронизации мод при постоянной накачке.
-
Вывести наиболее полные уравнения для развития амплшуд и фаз продольных мод в случае активной синхронизации непосредственно
из системы уравнений Максвелла для электромагнитного поля в среде с нестационарными параметрами. Проанализировать данные уравнения на предмет влияния различных механизмов на формирование импульса синхронизации.
-
Определить качественное и количественное воздействие дисперсии возбужденной активной среды на процесс синхронизации мод.
-
Найти аналитическое вь.ражение для коэффициента » экспоненциальной зависимости отражения .ллучения от нелинейного зеркала и определить в~чяние этого зеркала на развитие временной формы импульса синхронизации.
Научная ногчзнп.
-
Впервые рассчитана численная модель длительной активной синхронизации мод при постоянной накачке, при которой аккуратно отслеживались все изменения инверсной населенности активной среды и изменения параметров самого импульса синхронизации. Это дало возможность построить общую, близкую к реальности, картину развития импульса синхронизации.
-
Впервые непосредственно из урави чий Максвелла для поля излучения в резонаторе были получены наиболее полные аналитические
выражения, описывающие поведение амплитуд и фаз аксиальных мод при активной синхронизации, что позволило сравнить и.проанализировать действия различны? механизмов при активной синхронизации мод.
-
Установлена преобладающая роль воздействия отрицательной дисперсии активной среды на спектр синхронизирующихся в резонаторе аксиальных мод.
-
Впервые получены аналитические выражения для коэффициентов в экспоненциальной зависимости отражения нелинейного зеркала от интенсивности падающего на него излучения. Это позволило качественно и количественно определить изменения формы ч длительности импульса синхронизации при отражении от нелинейного зеркала.
Защищаемые положения.
-
Развитие короткого импульса в режиме длительной (больше времени продольной релаксации) активной синхронизации мод представляет собой релаксационный колебательны]" процесс, параметрами которого можно управлять через управление параметрами лазерной системы.
-
Вывод непосредственно из уравнений Максвелла и материальных уравнений для нестационарной среды наиболее полных уравнений для амплитуд и фаз аксиальных мод в случае действчя активного синхронизирующего устройства в резонаторе. Сравнение этих уравнений для случая амплитудной и фазовой синхронизации.
Г. Отрицательная дисперсия активной среды на центральне м переходе линии усилени. при определенных j ліовиях играет решающую роль в противодействии процессу сигхронизации аксиальных мод и образованию короткого имп льса. Имении эта дисперсия определяет количество мод, которое синхронизируется при определенных значениях глубин и частот модуляции. 4. При пассивной аінхронизацин с применением нелинейного зеркала на генерации второй гармоники форма образующегося импульса является сложной функцией времени и в первом приближении ее можно представить в виде двух гауссовых огибающих на пьедестале и вершине импульса, развитие которых идет независимо друг от друга. Выводится аналитическо выражение для степени сжатия импульса при отражении от нелинейного зеркала. Научная и практическая ценность. В работе рассмотрен процесс активной ишхроиизации продольных мод в твердотельном лазере, осуществляющийся на протяжении времени, сравнимого со Бременем продольной релаксации в активной среде, когда в лазере происходят существенные изменения, в том числе инверсной населенности активной среды. По результатам этого рассмотрения построена численная модель такого процесса, которая позволяет при расчетах ее на комш,-
ютере с реальными параметрами лазера наиболее полно представить кар.ину развития импульса синхронизации. Такая картина поможет определить энергетические параметры импуьса синхронизации в любое время его развития и соответствующим образом настраивать параметры лазера для получения необходимых параметров импульса.
Показано, что стабильная картина релаксационных колебаний свидетельствует о хорошей и стабильной синхронизации продольных мод между собой. Срыв этой картины свидетельствует о нарушениях в условиях синхронизации.
Предложен метод экспериментального определения количества вошедших в синхронизацию мод исходя из анализа полученной картины релаксационных колебаний.
Получены наиболее полные уравнения для амплитуд и фаз продольных мод при активной синхронизации, выведенные непосредственно из уравнений Максвелла для электромагнитного поля. Возможно использование этих уравнений применительно к различным условиям синхронизации с использованием соответствующих приближений.
Исследование влияния дисперсии возбужденной активной среды на процесс синхронизации мод привело к количественному определению максимально возможного Ч'сла мод. синхронизирующихся при различных частотах и глубинах работы модулятора. Соответственно, определяется минимальная длительность образующегося импульса синхронизации.
Определены коэффициенты в экспоненциальной зависимости отражения нелинейного зеркала от интенсивности падающего на него і.злучения. Это дает возможность точно определять развитие импульса в системе с нелинейным зеркалом в зависимости or параметров этой системы.
Апробация работы и публикации. Основные положения и результаты диссертации докладывались на 15-ой (1990 г.) и 19-ой (1994 г.) конференциях молодых ученых МФТИ (г. Долгопрудный), ча семинарах теоргруппы гіИИ. "Полюс" и быль опубликованы в работах (1,2,3.4]. Структура диссгтгаиии. Дчссертацня состоит из введения, пмш глав, заключения, приложений и библиографического списка.
