Введение к работе
Актуальность проблемы
Для исследований во многих областях физической оптики, фотохимии физики плазмы и т.д. необходимы источники когерентного излучения с субнаносекундной длительностью импульса, перестраиваемой в широких диапазонах длин волн и расходимостью, близкой к дифракционному пределу.
Одним из путей создания таких источников является разработка лазеров, генерирующих в заданном спектральном диапазоне, в которых формирование углоюй направленности излучения осуществляется резонаторными методами.
Однако во многих случаях эти задачи могут быть более эффективно решены нелинейно-оптическими методами.
Широкие возможности представляет преобразование излучения на квадратичной нелинейности в нецентросимметричных кристалах -каскадная генераци гармоник и параметрическая генерация света (ПГС). Наряду с этим, в настоящее время интенсивно исследуются и находят широкое применение методы преобразования параметров лазерного излучения на основе эффектов вынужденного рассеяния, в частности, вынуждешгое комбинационное рассеяние (ВКР) света в жидкостях, твердых и газообразных средах.
Частота излучения, рассеяного при ВКР в различных средах, может отличаться от частоты возбуждающего (накачки) на величину от нескольких десятков до нескольких тысяч см~1 , а его спектр может состоять как из одной, так и из нескольких компонент со сдвигом, кратным частоте колебаний или вращений молекул.
Однако, во всех этих процессах, и при ПГС, и при ВКР света, остается недостаточно удовлетворительным вопрос расходимости излучения на полученной перестроенной длине волны.
Радикальным способом повышения качества спектрально -пространственных характеристик излучения является инжектирование перестраиваемого моломошного сигнала с заданными спектральными и пространственными характерними и его усиление, что позволяет сохран ять указанные характерки на выходе усиливающей среды.
Таким образом, чрезвычайно важной и актуальной становится задача исследования процессов параметрического и комбинационно -парамегрического усиления излучения инжектируемого сигнала в поле мощной накачки гармоник неодимового лазера субнаносекундной
длительности. Для достижения максимальных ко:х[хрициентов усиления, гак же становится актуальным вопрос, исследования и поиска оптимальных форм и профилей поперечного распределения интенсивности взаимодействующих шли.
Цель диссертационной работы
Основной целью настоящего исследования является изучение
процесса высокоэффективного преобразован!! я энергии излучения
мощного широкоапертурного неоцимового лазера в
плавноперестраиваемые по частоте полны путем параметрического усиления света при инжекции затравочного сигнала, а также изучение процесс» ВКР света в комбинационно - параметрическом усилителе при инжекции затравочного сигнала на частоте стоксовой компоненты (СК) ВКР света. В связи с этим были поставлены следующие задачи:
1.Разра5отка и создание мощного широкоапертурного многоканального лазерного крмплекса на основе фосфатного неодимового стекла.
^Экспериментальные исследования параметрического усиления слабого сигнала, оптимнзаци я данного процесса за счет профилировани я пучков излучения накачки инжектируемого излучения, улучшение спектрально - пространственных характеристик параметрических волн и получение тем самым мощного узкополосного плавноперестраиваемого по частоте излучения с дифракционной расходимостью.
^Экспериментальное исследование генерации компонент ВКР света при колимированных пучках накачки в поле излучения второй и третьей гармоник широкоапертурного неодимового лазера с субнаносекундной длительностью импульса.
^Экспериментальное исследование обратной генерации СК ВКР света.
^Экспериментальное исследование процесса комбинационно -параметрического усиления излучения при инжекции слабого армированного сигнала на частоте первой стоксовой компоненты (ПСК) ВКР света.
Научная новизна
Шсследован процесс параметрического усиления слабого сигнала в поле мощной накачки. Впервые экспериментально подтверждены
положении приближения сильного взаимодействия о возможности эффективного энергообмена между волной накачки и инжектируемым сигналом за счет их специального профилнровани я Получена рекордна я эффективность преобразования, равная (55% , при сохранении спектральных и угловых характеристик инжектируемого излучения.
^Определены факторы, ограничивающие эффективность преооразовани я и на основе их анализа найдено оптимальное соотношение между интенсивностями сигнальной волны и волны накачки.
З.Исследован процесс ВКР света в газообразной среде. Получено излучение ПСК как в прямом, так и в обратном направлениях. Определены (ракторы, ограничивающие эффективность преооразовани я в пространственно - ограниченный пучок стоксовой компоненты.
4.Изучен процесс комбинационно - параметрического усиления слабого сигнала в поле излучения мощной накачки. Продемонстрирована необходимость специального профилирования сигнальной волны с целью более эффективного взаимодействи я пучкоа
^Продемонстрировано преимущество использования в качестве затравочного излучени я обратной стоксовой компоненты ВКР.
6.Продемонстрирована возможность эффективной генерации первой антистоксовой компоненты (ПАСК) ВКР при распространении сигнальной волны на частоте ПСК под углом фазового синхронизма к направлению излучения накачки.
Научная и практическая ценность работы
ІГоздан уникальный широкоапертурный трехканалышй лазерный комплекс на фосфатном стекле с предельными характеристиками.
^Осуществлено высокоэффективное параметрическое усиление затравочного сигнала с конформным профилем. Определен оптимальный уровень отношения интенсивности инжектируемого сигнала к интенсивности накачки, равный 10~3 - 10-2.
З.Создан перестраиваемый по длине юлны лазер на центрах окраски с шириной линии излучения 0.08А и выходной энергией 13 мДж.
4.Получен коэффициент параметрического усиления узкополосного затравочного излучения лазера на центрах окраски больше 104. При этом выходная энергия плавно перестраиваемого в диапазонах 0,93 - 1,02 мкм и 1,09 - 1,21 мкм излучения составила 0,66 Дж.
5.0существлена эффективна я генерация ИСК ВКР как в прямом, так и в обратном направлении при возбуждении излучением на частоте второй и третьей гармоник излучени я неодимового лазера.
6.3а счет специального профилирования волнового фронта инжектируемого сигнала, вдвое увеличена эффективность преобразования в ИСК ВКР.
7.Получеиа эффективная генерация пространственно ограниченной ПАСК ВКР за счет взаимодействия излучения накачки и сигналит волны под углом фазового синхронизма.
Основные положения, выносимые на защиту
1.Придание пространственному распределению интенсивности инжектируемого сигнала специальной формы, конформной к профилю накачки, позволяет существенно повысить эффективность параметрического и комбинационно-параметрического усиления света с сохранением пространственных и спектралных характерстик затравочного сигнала.
2.При использовании конформной модуляции взаимодействующих волн коэффицент параметрического усиления слабого сигнала в нелинейном кристале превышает КМ при выходной энергии 0,66 Дж.
ЗДля эффективной перекачки энергии квазипараллелъного пучка накачки в пространственно - ограниченное излучение ПСК ВКР необходимо инжектировать в активную среду предварительно сформированное затравочное излучение на частоте ПСК под углом фазового синхронизма к направлению распространения возбуждающего излучения.
4.Для достижения предельных коэффициентов преобразования в ПСК при комбинационно-параметрическом усилении, затравочное излучение должно иметь пространственно-временную модуляцию -конформную к модуляци излучения накачки.
5Лри использовании конформной модуляции взаимодействующих волн коэффициент комбинационно-параметрического усиления слабого сигнала в газовой среде превышает 4x103 ПрИ выходной энергии 0,41 Дж.
Обьем и структура диссертационной работы
Диссертация содержит 174 страниц машинописного текста, включая 107 страниц оригинального текста 48 рисунков и 137
наименовании в списке литературы. Структура диссертации следующая: ннедение, четыре главы заключение и список литературы.
Лпробаци я работы и публикации
Материалы диссертации докладывались и обсуждались: на XIV Международной конференции "Лазеры-Ш" (США, Сан Диего, 1991), IV Международной конференции по физике инфракрасного излучения (Цюрих, 1988), II Европейской конференции по квантовоп электронике (Дрезден, 1989), XIII и XIV Международных конференциях по когерентной и нелинейной оптике (Минск, 1988; Ленинград, 1991) VI Всесоюзной конференции "Оптика лазеров" (Ленинград, 1990), Всесоюзной конференции "Применение лазеров в народном хозяйстве" (Шатура, 1988), Региональном семинаре "Структурно динамические процессы в неупорядоченных средах" (Самарканд, 1992).
Основное содержание работы опубликовано в 15 научных работах, список которых приводится в конце реферата.
Личный вклад соискателя
Все эксперементальные результаты, изложенные в работе, получены лично соискателем под руководством научного руководителя д.ф-м.н. проф. Усманова Т.
Результаты аналитического и численного расчетов, выполненные сотрудником лаборатории Ерофеевым ЕА приводятся для более полного и ясного изложения исследуемой проблемы и сравнения с экспериментальными результатами. Тем не менее соискатель участвовал в постановке задач и обсуждении полученных теоретических результатоа
В печатных работах и докладах, выполненных в соавторстве, соискателю принадлежат разработка оптических схем экспериментов и методик измерений, проведение всех экспериментов, обработка результатов этих экспериментов, участие в обсуждении полученных результатоа а также в монтаже и наладке всех систем обширного экспериментального оборудования.
Совместно с Гуламовым АА и Бегишевым ИА была проведена разработка оптических схем лазерного комплекса, с Редкоречевым Д.0. -монтаж и наладка экспериментальных установок.
lb введении к диссертационной работе показана актуальность темы, ее научное и практическое значение, сформулированы цель работы и основные положения, выносимые на защиту.
Першій глава носит обзорный характер. В ней приведены основные направлении и цели создания параметрических и комбинационно -параметрических усилителен света.
ІІ первом разделе, главным образом с экспериментальной точки зрения, проведен анализ работ но параметрическому усилению света, приведены условия экспериментов, параметры излучения накачки и затравочного сигнала, значения достигнутых энергетических эффективностей. Особое внимание уделяется работам, посвященным исследовали ям ограничивающих фактороа
Во втором разделе первой главы приведен обзор состояния исследований по генерации компонент ВКР света в различных твердых, жидких и газообразных средах. Показаны преимущества и недостатки генерации прямого и обратного ВКР в этих средах. Особое внимание уделено обсуждению факторов, приводящих к ограничению максимально достижимых значений эффективности преобразования и способам улучшения спектральных и угловых характеристик результирующего излучения. Для достижения максимальной перекачки в одну компоненту ВКР, необходимо усиление затравочного сигнала в комбинационно рассеивающей среде под воздействием мощного излучени я накачки.
Показано, что инжекция предварительно сформированного излучения является кординальным способом улучшения спектральных и угловых характеристик результирующего излучения параметрических и комбинационно - параметрических волн.
Во второй главе описан созданный для проведения исследований мощный многофункциональный широкоапертурный лазерный комплекс на qxxxpaTHOM неодимовом стекле с преобразователями излучения во вторую и третью гармоники.
Спектральные характеристики излучения комплекса определяются, в основном, характеристиками задающего генератора (ЗГ) на фосфатном стекле, обеспечивающим за счет ступенчатого включения добротности системы связанных резонаторов и нескольких дисперсионных элементов ширину спектральной линии d=0,004A при стабильности воспроизведения линии лучше 0,1А и длительности
имнуліїса 27нс. Далее это излучение формируется но времени и пространстве, распределяется между тремя каналами усиления с апертурой выходных каскадов до 45мм. Во всех каналах используется независимое формирование пространственного профиля интенсивности излучения Были созданы два варианта комплекса: лазер Л и лазер Б. В нервом случае излучение на выходе двух каналов имеет следующие параметры: длительность импульса Т=0,5нс, расходимость излучения 9= 55мкрад, степень деполяризации излучения Д<1%, dX^0,016A максимальная плотность мощности її=6ГБт/см2. Излучение одного из каналов лазера Б имеетТ=27нс, и її=3,5МБг/см2. Применялись трансляция и фильтрация пространственных частот.
В этой главе так же представлены преобразователи частоты лазерного излучения на кристалах KDP, приведены основные ограничивающие эффективность преобразования факторы. Для генерации второй гармоники (ГВГ) использовались кристалы как первого, так и второго типов синхронизма. Получены продельные для используемой пространственно-временной модуляции пучков эффективности преобразования, составившие 90% и 87%, соответственно
Для генерации третьей гармоники (ПТ) использовались две схемы взаимодействия: 0i0jE2 - Е1О2Е3 и 0jE]E2 - Е1О2Е3. Ограничение эффективности ГВГ в первой схеме достигалось подбором длины кристалла-удвоителя, во второй - поворотом кристаллов на угол 54,4 вокруг оси пучка. Энергетическая эффективность ПТ составила 69% и 80% соответственно.
В третьей главе экспериментально исследован процесс параметрического усиления специально сформированного затравочного излучения в поле мощной накачки на частотах второй или третьей гармоник излучения широкоапертурного неодимового лазера. Показано, что инжекция затравочного сигнала позволяет получать параметрические волны с предельными пространственными и спектральными характеристиками. В качестве инжектируемого использовалось излучение неодимового лазера или излучение лазера на FjjLiF ЦО.
Особое внимание было уделено формированию пространственного профиля распределения интенсивности инжектируемого излучения в зависимости от профиля пространственного распределения интенсивности излучения накачки. Подтверждены теоретические положения о возможности сильного энергообмена между пучками с т.н.
конформными профилями. Так для гипергауссового профиля распределения интенсивности излучения накачки на частоте третьей гармоники излучения канала 1 лазера Б в канал 2 был сформирован конформный профиль инжектируемого излучения, имеющий локальный минимум в центре и максимум на краях пучка. Экспериментально продемонстрировано преимущество такого профиля перед другими, в частности, перед гауссовым. Энергетическая эффективность параметрического усиления пучка конформного профиля в кристале KDP размером 50x50x50 мм составила 65%.
Определенно, что для эффективного усиления инжектируемого сигнала его интенсивность должна составлять 10-3-10-2 (параметр Р) от интенсивности излучения накачки. Показано, что расходимость параметрических волн и их спектральная ширина определяется аналогичными характеристиками инжектируемого сигнала.
Получено параметрическое усиление широкополосного затравочного излучения суперлюмннисцентного лазера на FjjLiF ЦО. Спектральная ширина параметрических волн определялась спектром параметрических волн и составила 70А.
Для сужения ширины спектра перестраиваемого по частоте инжектируемого излучения был создан лазер на Ц0, накачиваемый излучением 3-канала неодимового лазерного комплекса. Резонатор ЗГ этого лазера содержит дифракционную решетку, расположенную под углом скользящего падения, что позволило получить плавноперестраиваемое во диапазоне ЩН,21икм излучение с шириной спектральной линии 0.08А при выходной энергии 1 мДж. После усиления и формирования в пространстве данное излучение использовалось в качестве затравочного в параметрическом усилителе на кристале KDP. При параметре Р=4 был достигнут предельный для заданной энергии сигнала коэффициент преобразования в параметрические волны, равный 44%, для одного кристала-усилителя длиной 50мм. Расходимость параметрических волн была близка к дифракционной, ширина спектра равнялась 0,06А при выходной энергии 0,66Дж. При увеличении активной среды усилителя до 100 мм эффективность возрастает до 56%, однако часть энергии при этом теряется на неколлениарные взаимодействия, что приводит к уширению спектра.
Максимальный коэффициент параметрического усиления узкополосного плавноперестраиваемого по частоте инжектируемого излучения лазера на Ц0 составил 104.
Исследование параметрического усиления другой пары конформных профилей показало, что к произвольному гладкому профилю
излучения накачки можно подобрать конформный профиль инжектируемого излучения и обеспечить тем самым эффективное преобразование энергии накачки в параметрические волны.
В четвертой главе представлены результаты исследования ВКР спета. Основной задачей является изучение возможности энергетически эффективного сдвига по частоте полос ПГС в неперекрываемые ими участки спектра и создания, таким образом, на основе одного неодимового лазера источника мощного когерентного излучения, плавноперестраиваемого во всем диапазоне от ближнего ИК до дальнего УФ. С целью обеспечения наибольшего частотного сдвига в результате одного аката ВКР в качестве рабочей среды был выбран сжатый водород.
Исследовалась генерация СК и АСК при возбуждении квазипараллельным пучком второй гармоники излучения 1-канала лазера А. При давлении водорода 20 атм в ПСК и ВСК было преобразовано более 30% излучения накачки. Однако, значительная доля этой энергии заключалась в конусных составляющих. Для ограничения расходимости СК, излучение второй гармоники этого же канала фокусировалось в кювету со сжатым до 10 атм водородом. Максимальные эффективности преобразования в ПСК и ВСК составили 37% и 23% соответственно. Однако большой энергообмен был невозможен ввиду оптического пробоя активной среды. Поэтому получение высоких энергий в пучках СК с дифракционной расходимостью путем прямой ВКР генерации представляется крайне сложным. Для решения этой задачи было предложено использовать два канала лазера А. В первом канале происходит генерация попутной ПСК, затем она формируется в пространстве и с дифракционной расходимостью направляется в кювету усилитель, куда под углом фазового синхронизма с ней попадает вторая гармоника излучения канала 2 также с дифракционной расходимостью. В результате эффективного энергообмена в этих широкоапертурных пучках получается мощное дифракционно-ограниченное излучение с выходной энергией до ОДДж. В качестве недостатка полученного излучения следует отметить характерную зернистость.
Преодолеть этот недостаток удалось при использовании в качестве инжектируемого излучения ПСК встречного ВКР. Эффективность генерации этой составляющей оптимизировалась по давлению водорода, степени и глубине фокусировки и достигала по квантам 74%.
С целью повышения комбинационно-параметрического усиления использовалось специальное профилирование инжектируемого излучения ему подавался либо гауссовый профиль, либо экспериментально подобранный профиль с локальным минимумом в
центре. Выигрыш при использовании согласованных профилей составил 31% против 17%.
Для расширения спектрального диапазона перестройки исследовалось комбинационно-параметрическое усиление при накачке излучением третьей гармоники неодимового лазера. Для повышения выходной энергии ПСК ВКР использовалась схема генератор-предусилитель-основной усилитель Эффективность преобразования по этапам составила 56%, 22% и 19% соответственно. В итоге было получено мощное когерентное излучение на длине волны 411нм с дифракционной расходимостью и выходной энергией 0,4 Дж.
Максимальный коэффициент комбинационно-параметрического усиления сформированного излучения составил 4x1$
