Введение к работе
Актуальность темы. Существенный прогресс в создании мощных и надежных полупроводниковых лазеров, обеспечивающих селективную накачку твердотельных активных сред, привел к появлению нового поколения твердотельных лазеров. Малые габариты, возможность получения одномодового одночастотного излучения с высокой амплитудной и частотной стабильностью - основные преимущества твердотельных лазеров с полупроводниковой накачкой, открывающие широкие перспективы их практического использования как в научных исследованиях (спектроскопия высокого разрешения, нелинейная оптика, голография, интерферометрия), так и в приложениях (оптическая связь, прецизионные измерения, гироскопия).
Замена традиционной лампы накачки в твердотельных лазерах на полупроводниковый лазер и переход к миниатюрным монолитным резонаторам сделало практически возможным получение высокостабильного излучения с шириной спектра на уровне фундаментального предела. В этой связи создание и исследование новых конфигураций резонатора, систем накачки и фокусировки излучения накачки, позволяющих повысить уровень стабильности и мощности излучения, является актуальной задачей.
Для ряда практических задач, связанных, например, с
дистанционной диагностикой (определение скоростных и
концентрационных параметров газовых и аэрозольных
потоков, характеристик турбулентной атмосферы),
необходимо сочетание высоких частотных, пространственных и энергетических характеристик лазерного излучения. Проблема одновременной реализации таких свойств в одном лазерном источнике требует решения взаимопротиворечащих технических задач. Решение этой проблемы лежит на пути создания системы "задающий генератор + эффективный усилитель", в которой генератор определяет высокие частотные и пространственные характеристики излучения, а усилитель обеспечивает высокий коэффициент усиления при сохранении качества инжектируемого излучения.
Несмотря на почти десятилетнее исследование кольцевых лазеров с полупроводниковой накачкой ряд
важных проблем остался нерешенным. Среди них
оптимизация кольцевого монолитного резонатора для
получения требуемого режима генерации с учетом обратного
рассеяния и термонаведенного двулучепреломления;
разработка метода описания распространения гауссова пучка
со сложным астигматизмом в кольцевом монолитном
резонаторе с неплоским лучевым контуром;
экспериментальное исследование поляризационной структуры высококачественного излучения таких лазеров.
Большой практический интерес представляет исследование пространственных и частотных характеристик излучения кольцевого монолитного Nd:YAG лазера с полупроводниковой накачкой усиливаемого в многопроходовом импульсном слэб-усилителе.
Исследование этих вопросов и составляет главное содержание настоящей диссертационной работы.
Целью диссертационной работы является систематичес
кое исследование частотных, поляризационных,
пространственных и энергетических характеристик излучения
лазерной системы на основе кольцевого монолитного Nd:YAG-
лазера с полупроводниковой накачкой и многопроходового
слэб-усилителя с высоким коэффициентом усиления.
Научная новизна работы
1. Разработана методика оптимизации параметров кольцевого
монолитного резонатора с неплоским лучевым контуром для
получения одночастотного излучения с учетом эффектов
обратного рассеяния на неоднородностях активной среды и
термонаведенного двулучепреломления.
-
Разработан лучевой метод описания гауссова пучка со сложным астигматизмом. Развитый метод позволяет находить области устойчивости, специфичные для кольцевого резонатора с неплоским лучевым контуром и характеристики формирующейся в нем гауссовой моды со сложным астигматизмом.
-
Впервые измерена степень деполяризации излучения кольцевого монолитного Nd:YAG лазера с полупроводниковой накачкой. Выявлены причины, приводящие к деполяризации излучения лазера.
4. Предложен новый способ измерения ширины узкополосного спектра генерации лазера с помощью модицифированного гетеродинного метода.
0. Разработана твердотельная лазерная система на основе
кольцевого монолитного Nd:YAG лазера, схемы формирования
импульсов заданной длительности, многопроходового
импульсного слэб-усилителя.
Практическая значимость работы
1. Экспериментальные исследования показали, что созданный
кольцевой монолитный Nd:YAG- лазер с полупроводниковой
'накачкой, генерирующий одночастотное узкополосное
излучение с высокой кратковременной стабильностью может успешно применяться в качестве источника излучения в доплеровских измерителях скорости объектов и виброметрах.
2. Развитый лучевой метод описания резонаторов с неплоским
лучевым контуром, позволяет находить области устойчивости
и характеристики гауссовой моды со сложным астигматизмом.
Предложенный метод может использоваться при расчете
сложных конфигураций резонаторов.
3. Предложенный новый способ измерения ширины
узкополосного спектра генерации лазера с помощью
модифицированного гетеродинного метода позволяет измерять
ширины линий генерации высокостабильных лазеров.
4. Разработанную твердотельную лазерную систему на основе
кольцевого монолитного Nd:YAG лазера, схемы формирования
импульсов заданной длительности, многопроходового
импульсного слэб-усилителя можно использовать в качестве
источника излучения в лидарных системах.
Основные положения, выносимые на защиту
1. Создан кольцевой монолитный Nd:YAG лазер с полупроводниковой накачкой, генерирующий одномодовое одночастотное узкополосное излучение с шириной спектра 4 кГц и амплитудной стабильностью 0,01%. Кольцевой монолитный резонатор с неплоским лучевым контуром лазера оптимизировался с целью получения устойчивого однонаправленного режима генерации (основное условие получения одночастотного узкополосного излучения) с учетом обратного рассеяния излучения на неоднородностях активной среды и влияния термонаведенного двулучепреломления.
2. Исследована степень деполяризации излучения кольцевого
монолитного Nd:YAG лазера с полупроводниковой накачкой.
Проанализированы причины, приводящие к деполяризации
излучения лазера.
-
Разработан лучевой метод описания гауссова пучка со сложным астигматизмом; метод позволяет находить области устойчивости, специфичные для неплоского кольцевого резонатора, и характеристики формирующейся в нем гауссовой моды со сложным астигматизмом.
-
Разработана твердотельная лазерная система на основе кольцевого монолитного Nd:YAG лазера, схемы формирования импульсов заданной длительности и многопроходового импульсного слэб-усилителя. Проведены исследования пространственных и частотных характеристик излучения системы.
Апробация работы
Основные результаты диссертационной работы
опубликованы в специализированных научных изданиях
"Квантовая электроника" и Proc.SPIE, докладывались на
Российской национальной конференции "Лазерные
технологии-93" (Шатура, 1993), XII Международной конференции "Оптика лазеров-93" (С.-Петербург), симпозиуме "Прикладная оптика-94" (С.-Петербург); XY Международной конференции по когерентной и нелинейной оптике (С.-Петербург, 1995), а также на научных семинарах кафедры общей физики и волновых процессов физического факультета МГУ им.М.В.Ломоносова.
Публикации
По материалам диссертации опубликовано 7 работ, из них 2 - тезисы Международных конференций.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из Введения, четырех глав, Заключения, двух Приложений и Списка литературы из 191 наименования. Материал диссертации изложен на 140 страницах, сопровождается 50 рисунками и 3 таблицами.
