Введение к работе
Актуальность работы
Создание твердотельных лазеров с внутрирезонаторной генерацией второй гармоники, позволяющих эффективно преобразовывать частоту лазерного излучения в сине-зеленый диапазон спектра является актуальной задачей квантовой электроники [1,2]. Режим внутрирезонаторного преобразования частоты традиционно и успешно использовался для лазеров непрерывного излучения, а также в импульсных режимах при относительно малых коэффициентах усиления активной среды. Генерация основного излучения в лазерах с внутрирезонаторной генерацией второй гармоники развивается в резонаторах с «глухими» зеркалами, и возможность увеличения энергии импульса второй гармоники ограничивается оптической стойкостью внутрирезонаторных элементов.
Режим генерации цуга импульсов излучения в пределах одного импульса накачки, характерный для модуляции добротности резонатора с помощью пассивного затвора, открывает новые возможности увеличения энергии импульса второй гармоники. В этом режиме возможно получение высокой суммарной энергии цуга импульсов, как при малых, так и при высоких энергиях отдельного импульса. При повышении энергии накачки энергия каждого импульса остается практически постоянной, зато увеличивается количество импульсов в цуге. При этом суммарная энергия импульсов второй гармоники может достигать значений более 200 мДж вдали от порога оптического разрушения элементов резонатора. Средняя частота повторения импульсов в цуге лазера на АИГ: Nd3+ может составлять 40 кГц и более. В лазерах на AHT:Nd3+ широко используются пассивные затворы на кристалле АИГ:Сг4+, которые по совокупности параметров превосходят другие затворы, например на кристаллах LiF:F2", и наиболее применимы в переносных приборах.
Такие лазеры представляют практический интерес в применениях, требующих получение высокой суммарной энергии излучения за время, сопоставимое с длительностью импульса накачки, т.е. за время порядка 100 мкс, при относительно невысоких энергиях каждого импульса из цуга (10 -30 мДж при длительности импульса 10-30 не). В качестве примеров возможного использования режима генерации цуга импульсов на частоте второй гармоники лазера на AMT:Nd3+ могут служить применения лазера в
биомедицинских исследованиях и системах мониторинга окружающей среды. Лазер может использоваться в случаях, когда необходимо воздействовать на объект энергией лазерного излучения распределенной (по нескольким импульсам) во временном интервале порядка 100 мкс, для которых не подходят непрерывный и моноимпульсный режимы генерации [3].
Теоретическое и экспериментальное исследования, разработка и создание лазера с пассивной модуляцией добротности и внутрирезонаторной генерацией второй гармоники, который обеспечивает стабильные выходные характеристики, требует учета и контроля большого числа параметров. Важными факторами, влияющими на работу лазера, являются форма импульса и скорость накачки, распределение коэффициента усиления в активной среде, нелинейность характеристик пассивного затвора, активной среды и преобразователя частоты, а также форма нелинейных коэффициентов преобразования и поляризационная анизотропия оптических элементов резонатора.
При этом физика процессов в лазере с внутрирезонаторной генерацией второй гармоники в режиме цуга импульсов при импульсной накачке несколько отличается от традиционных режимов пассивной модуляции добротности и генерации второй гармоники в импульсном режиме. Сочетание нелинейного поглотителя, нелинейного преобразователя в резонаторе и нетрадиционного режима генерации значительно сказывается на временных, энергетических и поляризационных характеристиках лазерного излучения [13-15]. Поэтому существует необходимость более глубокого теоретического и экспериментального исследования данного режима генерации твердотельных лазеров.
Изучение данного вопроса потребовало решения отдельной научно-технической задачи по созданию физико-математической модели лазера с пассивной модуляцией добротности и внутрирезонаторной генерацией второй гармоники, экспериментальному исследованию режима генерации цуга импульсов второй гармоники, оптимизации параметров элементов и схемы резонатора лазера, а также приборной реализации режима генерации цуга импульсов второй гармоники при импульсной накачке.
Цель работы
Целью данной диссертационной работы является исследование процессов внутрирезонаторной генерации второй гармоники излучения
твердотельных лазеров с пассивной модуляцией добротности резонатора в режиме генерации цуга импульсов с точки зрения особенностей их протекания, повышения эффективности генерации второй гармоники, оптимизации элементов и схемы резонатора лазера, а также создание на базе этих исследований эффективного твердотельного лазера с внутрирезонаторной генерацией второй гармоники в режиме цуга импульсов при модуляции добротности резонатора пассивным затвором.
Задачи работы
Для осуществления поставленной цели потребовалось:
-
Создать физико-математическую модель лазера с пассивной модуляцией добротности и внутрирезонаторной генерацией второй гармоники.
-
Провести теоретическое и экспериментальное исследование процессов внутрирезонаторной генерации второй гармоники в режиме цуга импульсов. Определить основные особенности развития генерации второй гармоники в резонаторе с пассивным затвором.
-
Теоретически и экспериментально исследовать поляризационные характеристики основного излучения и излучения второй гармоники в лазере с пассивной модуляцией добротности и внутрирезонаторной генерацией второй гармоники.
-
Оптимизировать схему и параметры элементов резонатора, реализовать в приборе с ламповой импульсной накачкой режим внутрирезонаторной генерации второй гармоники в режиме цуга импульсов.
Методы исследований
Теоретические исследования проводились с использованием методов
геометрической и волновой оптики, квантовой механики, теории матриц и
матричного анализа, теории дифференциальных уравнений и
математического анализа.
Математическое моделирование проводилось на базе вычислительных средств общего применения в пакете MatCad, а также специально созданных компьютерных программ с использованием объектно-ориентированного языка программирования Delphi.
Экспериментальные исследования выполнялись на специальных лабораторных стендах. В ходе экспериментов исследовались энергетические,
временные и поляризационные характеристики излучения. При обработке данных использовались методы статистического анализа. Метрологическое обеспечение экспериментальных исследований осуществлялось за счет использования поверенной измерительной аппаратуры.
Научная новизна работы
-
Впервые разработана более полная и адекватная, по сравнению с представленными в литературе моделями, физико-математическая модель лазера с поляризационной анизотропией резонатора в режиме цуга импульсов при внутрирезонаторном преобразовании частоты и пассивной модуляции добротности.
-
Впервые в приборном варианте твердотельного лазера с преобразованием частоты (переносной лазер на АИГ:Ш3+ с пассивным затвором на АИГ:Сг4+ и генерацией второй гармоники в кристалле КТР в режиме генерации цуга импульсов на длине волны 532 им) реализован температурно-некритичный синхронизм в нелинейном кристалле.
Основные положения, выносимые на защиту
-
В твердотельном лазере на АИГ:Ш3+ с модуляцией добротности резонатора пассивным затвором на АИГ:Сг4+ в режиме цуга импульсов при импульсной накачке может быть реализована эффективная внутрирезонаторная генерация второй гармоники в нелинейном кристалле КТР, вырезанном в направлении температурно-некритичного синхронизма.
-
Режим генерации цуга импульсов на частоте второй гармоники в лазерах с импульсной накачкой, пассивной модуляцией добротности и внутрирезонаторным преобразованием частоты позволяет получать высокую среднюю частоту следования импульсов в пределах цуга (более 40 кГц), высокие суммарные энергии выходного излучения (более 200 мДж) при уровне энергии отдельного импульса в цуге (20 мДж) ниже порога оптического разрушения элементов резонатора.
-
Резонатор лазера на АИГ:Ш3+ с пассивным затвором на АИГ:Сг4+ и преобразователем частоты на КТР при синхронизме типа II обладает выраженной поляризационной анизотропией, вызванной двулучепреломлением в нелинейном кристалле и поляризационными свойствами фототропных центров в пассивном затворе.
4. Деполяризационные эффекты в резонаторе с пассивным затвором и преобразователем частоты могут значительно снижать эффективность лазера. Использование схем резонатора с компенсацией деполяризационных эффектов или минимизацией поляризационных потерь позволяет значительно повысить кпд лазера.
Практическая значимость работы
-
Внутрирезонаторная генерация второй гармоники в режиме цуга импульсов реализована на практике в переносном автономном лазере с ламповой импульсной накачкой, активной средой на АИГ:Ыс-3+, модуляцией добротности резонатора пассивным затвором на АИГ:Сг4+ и нелинейными кристаллами КТР, вырезанными в направлении температурно-некритичного синхронизма.
-
Экспериментальные исследования показали, что лазер на АИГ:Ш3+ с модуляцией добротности резонатора пассивным затвором на АИГ:Сг4+ и внутрирезонаторной генерацией второй гармоники может быть эффективным источником излучения зеленого спектрального диапазона с высокой суммарной энергией импульсов в цуге (>100 мДж) при низкой энергии отдельного импульса (20 мДж).
-
Разработанная физико-математическая модель лазера в режиме цуга импульсов с внутрирезонаторным преобразованием частоты и пассивной модуляцией добротности позволяет определять параметры активной среды, пассивного затвора, нелинейного кристалла, накачки и резонатора для эффективной реализации данного режима.
-
Созданные компьютерные программы могут использоваться для расчета угловой, спектральной, температурной ширин синхронизма и нелинейных коэффициентов преобразователей частоты, а также определения и оптимизации требуемых параметров других оптических элементов резонатора.
Апробация работы
Основные результаты работы были опубликованы в отечественных специализированных научных журналах: «Квантовая электроника» и «ПРИБОРЫ».
Результаты докладывались на научных конференциях: XLVI научная конференция МФТИ , XLVIII научная конференция МФТИ.
Публикации
По материалам диссертации было опубликовано - 5 работ, из которых 3 - тезисы научных конференций.
Объем и структура диссертации
Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы, включающего 186 наименований. Объем диссертации составляет 128 страниц, включая 50 рисунков и 3 таблицы.
