Введение к работе
Актуальность темы. Нелинейно-оптические эффекты в лазерных кристаллах (ЛК) и стеклах, такие как самофокусировка и пространственно-временные неустойчивости световых пучков наблюдались уже при создании первых лазерных систем с высокой мощностью излучения [1-3]. Изучались различные механизмы нелинейностей, такие как электронный эффект Керра, электрострикция, насыщение лазерного перехода [3]. Одной из наиболее сильных нелинейностей в ЛК является резонансная нелинейность насыщения лазерного перехода, которая, как хорошо известно, приводит к насыщению усиления светового пучка.
Было показано [4,5], что при накачке происходят изменения показателей преломления ЛК, обусловленные разностью поляризуемостеи (РП) ионов-активаторов в основном и возбужденном состояниях. Величина РП измерялась несколькими группами для некоторых ЛК и лазерных стекол. Как оказалось, эти РП могут быть достаточно большими, однако вопрос об их точной величине оставался, пс-существу, открытым. Действительно, измерения, проведённые разными группами, даже для ионов Nd в одной и той же матрице давали значения РП, отличающиеся более чем на порядок величины [4,5]. В то же время вопрос о величине РП у ионов-активаторов в ЛК представляется весьма важным для объяснения нелинейно-оптических эффектов в лазерных усилителях и генераторах. РП приводит к появлению действительной части нелинейной восприимчивости ЛК в центре линии лазерного перехода. Наличие действительной части нелинейной восприимчивости могло бы объяснить ряд особенностей режимов, наблюдаемых в современных лазерах (таких, например, как самомодуляция или конкуренция продольных мод). Знание величины соотношения действительной и мнимой частей резонансной восприимчивости кристалла Nd:YAG, определяющей соотношение дифракционных эффективностей голографических решеток усиления и показателя преломления, представляется особенно важным для объяснения особенностей взаимодействий и пространственно-временных неустойчивостей лазерных пучков в этих кристаллах.
В последние годы интерес к исследованиям нелинейно-оптических эффектов в лазерных средах усилился в связи с разработкой новых принципов построения лазеров, в которых используются динамические решётки, возбуждаемые внутри активной среды собственными генерируемыми пучками [б]. Были обнаружены возможности получения генерации в некоторых схемах с петлевой геометрией, включающих только ЛК. Показана, также возможность генерации одномодового излучения в виде импульсов наносекундной длительности с высоким качеством выходных пучков. Однако картина формирования про-
странственнои и временной структуры излучения в процессе развития генерации в таких лазерах представляется далеко не полной. В частности, предыдущие исследователи полностью игнорировали решетки показателя преломления в ЛК. При этом упускался целый ряд особенностей таких систем и возможностей схемных решений.
В связи с этим, исследование механизмов резонансной нелинейности ЛК представляется важной и интересной задачей. Изучение особенностей нелинейного взаимодействия лазерного излучения в кристаллах Nd:YAG является актуальным как для понимания процессов, происходящих в лазерных усилителях и генераторах, так и для создания мощных твёрдотельных лазеров нового поколения для технологических, научных и других приложений.
Целями настоящей диссертационной работы являются, теоретическое и экспериментальное исследование механизма резонансной восприимчивости кристалла Nd:YAG, связанного со свойствами примесных ионов Nd3f, а также изучение новых нелинейно-оптических эффектов в этом ЛК, обусловленных не только насыщением усиления, но и резонансными изменениями показателя преломления:
возбуждения динамических голограмм и взаимодействия световых волн с разными
частотами;
вынужденного резонансного рассеяния (ВРР);
обращения волнового фронта (ОВФ) световых пучков;
генерации в лазерах, резонаторы которых формируются с участием голографиче-ских решёток, индуцированных в усиливающих ЛК.
Научная новизна работы заключается как в постановке конкретных задач, так и в полученных результатах. В частности, в работе впервые получены следующие результаты.
-
Исследован механизм действительной части нелинейной резонансной восприимчивости кристалла Nd:YAG, связанный с изменением поляризуемости ионов Nd + при их возбуждении. Определена величина отношения действительной и мнимой частей резонансной восприимчивости при различных мощностях ламповой, лазерной и диодной накачки. Обнаружено влияние заселения высоколежащих метастабильных уровней 4/-оболочки ионов Nd3+ на резонансную восприимчивость Nd;YAG.
-
Экспериментально исследовано взаимодействие двух световых пучков в Nd:YAG-усилителе. Обнаружено, что усиление слабого оптического сигнала в кристалле Nd:YAG может возрастать в присутствии сильного когерентного лазерного пучка за счёт перерассеяния последнего на голографической решётке показателя преломления, индуцируемой интерференционным полем взаимодействующих волн.
-
Экспериментально обнаружен и исследован эффект обратного ВРР светового пучка на частоте рабочего перехода кристалла Nd:YAG. Показано, что это ВРР обусловлено перерассеянием исходной волны на решетке показателя преломления, сопровождающей решетку населенности уровней ионов Nd \ индуцируемую полем интерференции исходной волны и волны рассеяния.
-
Реализован эффект параметрического само-ОВФ световых пучков (с микросекундной и миллисекундной длительностью импульсов) в Nd:YAG-ycnnmrae с петлей обратной связи (ОС). Показано, что этот эффект обусловлен совместным ВРР лазерных пучков накачки (исходного и прошедшего петлю ОС).
-
Экспериментально показана возможность генерации излучения в Nd:YAG лазере, резонатор которого формируется при участии голографических динамических решеток показателя преломления, которые связаны с решетками населённости, записанными в ЛК собственными генерируемыми волнами. Экспериментально показано, что такие лазеры с петлевой архитектурой обладают адаптивными свойствами по отношению к внутрирезо-наторным искажениям.
Научное и практическое значение результатов работы. В диссертационной работе проведено исследование механизмов резонансной восприимчивости кристалла Nd:YAG. Этот кристалл является одним из наиболее широко используемых в промышленности и научных исследованиях. Полученные в диссертации результаты важны для правильного описания процессов, происходящих в Nd:YAG усилителях и генераторах.
Проведенные исследования позволяют дать конкретные практические рекомендации о работе нелинейно-оптических устройств (таких, например, как ОВФ-зеркала), использующих голографические динамические решётки в Nd:YAG усилителях как с ламповой, так и с диодной накачкой.
Полученные в диссертационной работе результаты могут быть использованы при проектировании лазеров новой архитектуры, генерирующих пучки дифракционного качества с высокой средней мощностью (100 Вт и выше). Такие лазеры могут применяться в прецизионных технологических процессах, медицине, научных исследованиях (в таких организациях, как ИПФ РАН, ИОФ РАН, ННГУ, ИФМ РАН и других).
Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на конференциях: Conference on Lasers and Electro-Optics Europe (CLEO/Europe), Amsterdam, Holland, august, 1994; Conference on Lasers and Electro-Optics (CLEO), Baltimore, USA, 1995; The Pacific Rim CLEO, Chiba, Japan, 1995; The S-th Laser Optics conference, St.Peterburg, 1995; Advanced Solid - State Lasers Topical Meeting, San-Francisco,
USA, 1996; C.LEO, Anaheim, USA, June, 1996; Quantum Electronics and Laser Science Conference (QELS), Anaheim, USA, June, 1996; CLEOEurope, Humburg, Germany, September, 1996; European Quantum Electronics Conference, Humburg, Germany, September, 1996; QELS, Baltimore, USA, May, 1997; ('LEO, Baltimore, USA, May, 1997; Optics for hidstry and Medicine '97, Shatura Moscow region Russia, June, 1997; Optoelectronics and High-power lasers A Applications, San Jose, CA, USA, January, 1998; Advanced Solid - Stale Lasers-Topical Meeting, Idaho, USA, Febrary, 1998, C.LEO, San Francisco, California.USA, May, 1998; The 9-th leaser Optics conference, St.Peterburg, June, 1998, Ежегодные конференции no радиофизике. Нижний Новгород, 1996г.- 1998г. Результаты диссертации также обсуждались на семинарах кафедры электродинамики ННГУ и отделения нелинейной динамики и оптики ИПФ РАН.
Публикации. Основные материалы диссертации опубликованы в статьях [1-11], а также в тезисах докладов конференций [12-32].
Структура и объём диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, заключения и списка литературы. Работа изложена на 114 страницах машинописного текста, включая 40 рисунков и список литературы из 93 наименований.
