Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Обзор литературы 13
1.1 Обращение волнового фронта 13
1.2 Четырехволновое смешение в активной среде лазера 16
1.3 Явления, вызванные ЧВС в активной среде 19
1.3.2 Решетки коэффициента усиления 22
1.4 Решетки коэффициента усиления, образующиеся в результате ЧВС в активной среде лазера 24
1.4.1 Модель ЧВС, основанная на принципах нелинейной оптики 24
1.4.2 ЧВС Голографическая модель 29
1.5 Обзор экспериментальных исследований, посвященных ОВФ в лазерах с
петлевым резонатором 44
1.6 Заключение к главе 1 54
ГЛАВА 2. Механизмы управления параметрами генерации твердотельного голографического Nd-YAG лазера с диодной накачкой и многопетлевым резонатором 58
2.1 Исследуемые типы резонаторов 58
2.2 Дифракционная эффективность решеток и их количество в лазерах с рассматриваемыми схемами резонаторов. Механизм управления энергетическими и пространственными характеристиками излучения 62
2.3 Спектральная селективность решеток коэффициента усиления в кристалле Nd-YAG. Механизм управления шириной полосы излучения 68
2.4 Моделирование режима пассивной модуляции добротности резонатора. Механизм управления энергетическими и временными параметрами, а также дифракционной эффективностью решеток коэффициента усиления 71
2.5 Результаты главы 2 75
ГЛАВА 3. Демонстрация возможностей управления параметрами генерации твердотельных лазеров с многопетлевыми резонаторами 77
3.1 Квантрон 77
3.2 Методики измерения энергетических и спектральных характеристик излучения твердотельного лазера 80
3.3 Результаты измерения характеристик излучения лазеров с многопетлевым резонатором
3.3.1 Исследование оптимальной длины резонатора для достижения максимальной энергии в импульсе 88
3.3.2 Результаты измерения энергетических и спектральных характеристик для схемы, реализующей шестиволновое взаимодействие
3.3.3 Результаты измерения энергетических и спектральных характеристик для схемы, реализующей восьмиволновое взаимодействие
3.3.4 Результаты измерения энергетических и спектральных характеристик для схемы, реализующей десятиволновое взаимодействие
3.3.5 Заключение по разделу
3.3. Сравнение результатов эксперимента по измерению энергетических и спектральных характеристик излучения лазеров с рассмотренными схемами резонаторов 97
3.4 Демонстрация механизмов управления шириной полосы генерации путем изменения длины области инверсии населенностей в кристалле 98
3.4.1 Ширина полосы генерации лазера с многопетлевым резонатором в режиме свободной генерации 98
3.4.2 Ширина полосы генерации лазера с многопетлевым резонатором в режиме модуляции добротности 101
3.4.2 Зависимость ширины полосы генерации от толщины голограммы, записанной в активной среде лазера 103
3.4.3 Зависимость ширины полосы генерации от толщины голограммы, записанной в фоторефрактивном кристалле 108
3.4.4 Заключение по разделу 3.4 115
3.5 Демонстрация механизмов управления пиковой мощностью излучения лазера с многопетлевым резонатором путем реализации режима пассивной модуляции добротности 116
3.5.1 Режим пассивной модуляции добротности резонатора лазера с многопетлевым резонатором 116
3.5.2 Явление самомодуляции, проявляющееся при сравнении характеристик генерации лазеров с трехпроходной и пятипроходной схемой резонатора в режиме модуляции добротности затвором Cr4+:YAG
127
3.5.5 Заключение по разделу 3.5 130
3.6 Результаты главы 3 130
Заключение 133
Список литературы
- Решетки коэффициента усиления, образующиеся в результате ЧВС в активной среде лазера
- Дифракционная эффективность решеток и их количество в лазерах с рассматриваемыми схемами резонаторов. Механизм управления энергетическими и пространственными характеристиками излучения
- Методики измерения энергетических и спектральных характеристик излучения твердотельного лазера
- Результаты измерения энергетических и спектральных характеристик для схемы, реализующей восьмиволновое взаимодействие
Введение к работе
Актуальность темы. Многообразие схем и областей применения лазерных систем привело к возникновению спектра задач, связанных с доставкой энергии на значительные расстояния, что особенно актуально в космическом пространстве.
Для таких применений создается новое поколение мощных импульсных твердотельных лазеров с высокой яркостью, то есть обладающих большой пиковой мощностью и энергией в импульсе при близкой к дифракционному пределу расходимости излучения. В основе таких характеристик излучения лежит явление обращения волнового фронта путем четырехволнового смешения.
Такие лазеры являются перспективными в задачах дистанционного энергопитания малых спутников [1] и изменения траекторий космических объектов, например, малых астероидов и космического мусора [2]. Наряду с космическими приложениями, мощные лазеры позволяют решать задачи дистанционного мониторинга поверхностей путем лазерно-эмиссионной спектроскопии [3, 4, 5]. Мощные лазеры также находят применение в области лидарного зондирования атмосферы [6, 7], обработке металлов, особенно в задачах сверления отверстий малого (около 1 мкм) диаметра и ряде других областей.
Представленная работа позволит выявить и количественно описать явления, влияющие на возможность получения генерации и характеристики излучения лазеров с обращением волнового фронта.
Приведнный анализ литературы показал что:
1. Имеется теоретическое описание и моделирование процесса
четырехволнового смешения в активной среде лазера. Описано
формирование решеток коэффициента усиления. Исследованы
геометрические параметры и дифракционная эффективность решеток.
Однако в проведенных исследованиях отсутствует моделирование решеток
коэффициента усиления в лазерах с петлевым резонатором при наличии
насыщающегося поглотителя. Описано влияние пассивного затвора в
петлевом резонаторе лазера на контраст записанных в активном элементе
решеток коэффициента усиления, однако отсутствует описание влияния
поглотителя на коэффициент связи записывающих решетку лучей..
2. Исследованы энергетические, временные и спектральные
характеристики лазеров. Показано, что лазеры джоулевого уровня
реализованы с ламповой накачкой [9], обеспечивающий низкий, по
сравнению с диодной, уровень коэффициента полезного действия. Лазер с
диодной накачкой представлен в [13], но для повышения энергии в импульсе
используются дополнительные квантроны-усилители, что повышает
коэффициент усиления. Для повышения дифракционной эффективности решеток в схемах с одним квантроном используется невзаимный элемент [10, 11], улучшающий обратную связь. В приведенных работах отсутствует указание возможности получения генерации лазера одновременно с джоулевым уровнем энергии в импульсе, как в [9], на базе одного активного элемента без дополнительных квантронов-усилителей, как в [10], и без невзаимного элемента, как в [8, 9].
-
Исследование спектральных свойств генерации твердотельных лазеров с петлевыми резонаторами ограничивается измерением ширины полосы генерации [10, 11] вблизи порога и при значительном превышении. Имеется указание на спектральную селективность решеток, как причину сужения полосы генерации. При этом отсутствует указание на сужение полосы генерации из-за модуляции добротности резонатора (самомодуляции решетками или пассивной модуляции насыщающимся поглотителем). Также отсутствует количественное описание зависимости ширины полосы генерации от параметров записанной в среде решетки.
-
В работе [9], а также [12], проведено исследование режимов пассивной модуляции добротности резонатора насыщающимся поглотителем LiF:F2-. Показано, что использование насыщающегося поглотителя переводит лазер в режим генерации гигантских импульсов. Однако отсутствует описание особенностей генерации в режиме высокоэффективной диодной накачки и при широком выборе материала насыщающегося поглотителя.
Цель и задачи диссертационной работы. Цель работы – изучение влияния параметров решеток усиления, формируемых при вырожденном четырехволновом взаимодействии непосредственно в активной среде лазера под действием узкополосной диодной накачки, на характеристики генерации твердотельных лазеров с многопетлевыми ОВФ-резонаторами в интересах управления параметрами генерации и повышения энергетических параметров лазерного излучения при сохранении высокого качества пучка.
На основании представленного обзора литературы можно сформулировать следующие задачи диссертационной работы:
1. Исследовать влияние формирования дополнительных решеток усиления
в активной среде лазера при увеличении числа петель голографической
обратной связи лазерного резонатора на параметры генерации
твердотельного лазера с петлевым самонакачивающимся ОВФ-резонатором.
2. Изучить спектральные параметры генерации твердотельного лазера с
многопетлевым резонатором на самонакачивающемся ОВФ-зеркале в
активной среде в зависимости от длины области накачки активной среды.
-
Исследовать режим пассивной модуляции добротности твердотельного лазера с петлевым самонакачивающимся ОВФ-резонатором при модуляции не только насыщающегося поглощения пассивного затвора, но и дифракционной эффективности решеток насыщающегося усиления.
-
Исследовать параметры генерации ИАГ:Nd3+ лазеров с двух-, трех- и четырехпетлевыми самонакачивающимися ОВФ-резонаторами на решетках усиления непосредственно в активной среде при диодной накачке, и найти возможности повышения выходной энергии лазера до джоулевого уровня при сохранении качества пучка, близкого к дифракционному, без использования каких-либо дополнительных оптических элементов.
Научная новизна. Впервые показано, что формирование дополнительных решеток усиления с большей дифракционной эффективностью в активной среде лазера при увеличении числа петель голографической обратной связи лазерного резонатора повышает параметры генерации твердотельного лазера с петлевым самонакачивающимся ОВФ-резонатором.
Обнаружено, что ширина полосы генерации в лазере с многопетлевым резонатором на самонакачивающемся ОВФ-зеркале непосредственно в активной среде имеет обратно пропорциональную зависимость от толщины объмной отражательной рештки коэффициента усиления, равной длине области перекрытия пучков в активной среде.
Установлено, что насыщающийся поглотитель, помещенный так, чтобы захватывать все взаимодействующие пучки, позволяет уменьшать различие интенсивностей пучков, записывающих решетки усиления, что повышает контраст их интерференции и дифракционную эффективность решеток коэффициента усиления, и в конечном счете приводит к увеличению пиковой мощности излучения лазера с петлевым самонакачивающимся ОВФ-резонатором.
Практическая значимость работы. На основе проведенных
исследований разработаны схемы резонатора лазера, реализующего
обращение волнового фронта в двух-, трех- и четырехпетлевых
самонакачивающихся ОВФ-резонаторах. Это позволяет получить схемы с
оптическим коэффициентом полезного действия 19%. Преимуществом
данных лазеров является отсутствие выходного зеркала, невзаимного
элемента и дополнительных квантронов-усилителей, увеличивающих
обратную связь и коэффициент усиления за обход резонатора.
Научные результаты, полученные в ходе выполнения работы, позволили сформулировать следующие научные положения, выносимые на защиту:
-
Наличие дополнительных петель голографической обратной связи на решетках усиления в активной среде приводит к записи дополнительных решеток усиления, что обеспечивает повышение эффективности генерации лазера с петлевым самонакачивающимся ОВФ-резонатором.
-
Ширина полосы генерации в лазере с многопетлевым резонатором на самонакачивающемся ОВФ-зеркале непосредственно в активной среде имеет обратно пропорциональную зависимость от толщины объмной отражательной рештки коэффициента усиления, равной длине области перекрытия пучков в активной среде.
-
Насыщающийся поглотитель ИАГ:Cr4+, помещенный так, чтобы захватывать все взаимодействующие пучки, позволяет уменьшать различие интенсивностей пучков, записывающих решетки усиления, что повышает контраст их интерференции и дифракицонную эффективность решеток коэффициента усиления. Повышение эффективности работы решетки коэффициента усиления приводит к возможности реализации режима с эффективностью преобразования в режим модуляции добротности 55% и пиковой мощностью 15 МВт.
Апробация работы. Материалы диссертационной работы неоднократно
докладывались на всероссийских и международных научных конференциях:
VII международная конференция молодых ученых и специалистов НИУ
ИТМО «Оптика 2011», СПб, 17-21 октября, 2011; IV общероссийская
молодежная научно-техническая конференция «Молодежь. Техника.
Космос», СПб, 14-16 марта, 2012; 22-ая международная конференция
«Лазеры. Измерения. Информация», СПб, 5-7 июня, 2012; 15th international
conference on laser optics LO-2012, St.Petersburg, 25-29 июня, 2012; XIX
international symposium on high-power laser systems and applications
HPLS&A, Istanbul, Turkey, 10-14 сентября, 2012; ХХ международная
конференция «Лазерно-информационные технологии в медицине, биологии и
геоэкологии», Новороссийск, 11-15 сентября, 2012; VII международная
конференция «Фундаментальные проблемы оптики» (ФПО – 2012), 15 - 19
Октября, 2012; V общероссийская молодежная научно-техническая
конференция «Молодежь. Техника. Космос», СПб, 20-22 марта, 2013; 23-я международная конференция «Лазеры. Измерения. Информация», СПб, 5-6 июня, 2013; International conference on coherent and nonlinear optics & The lasers, applications, and technologies ICONO/LAT:2013, Москва, 18-22 июня,
2013; VIII международная конференция молодых ученых и специалистов НИУ ИТМО «Оптика 2013», СПб, 14-18 октября, 2013; ХХI Международной Конференции «Лазерно-информационные технологии в медицине, биологии и геоэкологии», Новороссийск, 10-14 сентября, 2013; Advanced Solid-State Lasers Congress ASSL-2013, Paris, France, 27 октября – 1 ноября, 2013; Petergof workshop on laser physics PWLP-2014, St-Petersburg, 15-17 апреля, 2014; 24-я международная конференция «Лазеры. Измерения. Информация», СПб, 9 - 11 июня, 2014; 16th international conference on laser optics LO-2014, St.Petersburg, 30 июня – 4 июля, 2014; XX international symposium on high-power laser systems and applications HPLS&A, Chengdu, China, 25-29 августа, 2014.
Достоверность результатов, полученных в диссертационной работе,
подтверждается использованием апробированных и обоснованных
физических методов, а также воспроизводимостью. Достоверность
экспериментальных данных подтверждается использованием современного
высокоточного оборудования. Результаты эксперимента согласуются с
теоретическим описанием явлений, а также с данными других
исследователей.
Личный вклад автора. Цели исследования сформулированы автором
совместно с сотрудниками кафедры «Лазерной техники» БГТУ
«ВОЕНМЕХ», задачи работы сформулированы автором лично. В работе
изложены результаты исследований, выполненные автором лично или в
соавторстве. Численная оценка дифракционной эффективности решеток и
моделирование работы пассивного лазерного затвора выполнены совместно
со Сметаниным С.Н. Эксперименты по исследованию характеристик лазера с
четырехпроходной схемой резонатора, а также регистрация явления
самомодуляции добротности в результате рассеяния излучения лазера на
мишени, выполнены совместно с Лебедевым В.Ф. Исследования параметров
динамических решеток, записываемых в фоторефрактивных кристаллах,
выполнены совместно с научным руководителем Петровым В.М.
Эксперименты по исследованию режимов работы и характеристик излучения лазера с трех- и пятипроходной схемой резонатора, сопоставление и анализ эффективности решеток коэффициента усиления в таких лазерах, а также влияния пассивного лазерного затвора на параметры решетки, выполнены автором лично. Также автором проведено исследование спектральных свойств излучения и показана связь с явлением спектральной селективности решеток коэффициента усиления. Таким образом, все результаты, составляющие научную новизну диссертации и выносимые на защиту, получены автором лично.
Публикации. Основное содержание диссертационной работы отражено в 26 научных работах общим объемом 78 печатных листов, в том числе 6 статей в научных журналах и изданиях, которые включены в Перечень рецензируемых научных изданий, рекомендуемых для опубликования основных научных результатов диссертаций, а также 21 текст тезисов и докладов на всероссийских и международных конференциях.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, одного приложения и списка цитируемой литературы из 103 наименований. Материалы работы изложены на 118 страницах, включая 64 рисунка, 5 таблиц.
Решетки коэффициента усиления, образующиеся в результате ЧВС в активной среде лазера
В случае, когда явление обращения волнового фронта используют для коррекции искажений излучения лазера, ОВФ реализуется непосредственно в активной среде [15].
В основе действия твердотельных лазеров с ОВФ лежит механизм усиления когерентного излучения - перераспределение энергии между волнами при вырожденном четырехволновом смешении (ЧВС) на светоиндуцированных динамических решетках, записываемых в нелинейной среде интерферирующими волнами. ЧВС в активной среде реализуется путем создания петли и самопересечения пучка в активном элементе, как показано на рисунке 1.3. В результате чего, благодаря энергообмену между пучками, образуется, так называемое, ОВФ-зеркало, создающие пучки с обращенным волновым фронтом в направлении распространения излучения в резонаторе. В ряде сред энергообмен столь эффективен, что приводит к усилению слабых сигналов.
Принципиальная схема петлевого ОВФ-зеркала на ЧВС предложенная в работе [16] представлена на рисунке Х.Ъа. Как видно из рисунка \3а, здесь требуется только один входной пучок без дополнительных комплексно-сопряженных волн накачки.
Генерация обращенной волны в активном элементе лазера качественно может быть описана следующим образом. В шумовом излучении нелинейной среды всегда присутствует очень слабая (шумовая) опорная волна E1=Avexp(i-kvry±K.c., фазово-сопряженная (имеющая комплексно-сопряженную фазу) и распространяющаяся навстречу второй опорной волне E2=ATQxp(i-kTr)+K.c, где к2=-кь Рассматривая в поле этих встречных фазово-сопряженных опорных волн сигнальную волну Ез=Ау&хр(і-куг)+к.с. в качестве обращаемой, получают волну Е4=А4-&хр(і-к4-г)+к.с, где к4=-к3, фазово-сопряженную или, другими словами, имеющую обращенный волновой фронт к сигнальной волне. Такая волна получается в результате считывания волной Е1 голографической решетки, записанной при интерференции волн Е2 и Е3. Обращенная волна Е4 (результат дифракции волны Е1 на голографической решетке, штрихи которой показаны на рисунке) переходит в опорную волну Е1 и далее выходит из самоОВФ-зеркала навстречу входной волне. При этом не только пара волн Е2 и Е3 записывают решетку (отражающая решетка), но и пара волн Е1 и Е3 записывают соизмеримую по дифракционной эффективности решетку (пропускающую), на которой дифрагирует волна Е2, также переходя в обращенную волну Е4.
Угол взаимодействия между опорным и сигнальными пучками в пропускающей решетке менее /2. Линии интерференционных полос расположены параллельно биссектрисе угла схождения пучков (в этом случае вдоль активной среды). Отражательные решетки формируются в том случае, если угол между взаимодействующими лучами более /2. Линии полос расположены поперек активной среды (рисунок 1.3b). Если в петле (например, между поворотными зеркалами на рисунке 1.3) расположен лазерный усилитель [15], то волна Е4, переходя в волну Е1, усиливается, что может обеспечить условие генерации при достаточно высокой дифракционной эффективности голографической решетки, тогда происходит нарастание интенсивностей волн Е1 и Е4 во времени, которое заканчивается при ослаблении входной (и сигнальной) волны, или насыщении коэффициента усиления усилителя.
Было показано [16], что для лазерного усилителя с высоким коэффициентом усиления входящий пучок можно заменить зеркалом, как показано на рисунке 1.3b, тогда все волны будут стартовать из спонтанного шума и постепенно усиливаться до лазерных интенсивностей, т.е. мы имеем петлевой самоОВФ-резонатор или другими словами самонакачивающийся фазово-сопряженный резонатор.
Работа самонакачивающихся обращающих волновой фронт зеркал (самоОВФ-зеркала) в петлевой конфигурации вырожденного четырехволнового смешения была рассмотрена в [17]. Было показано, что они организуют обратную связь в резонаторе лазера, позволяя получить генерацию без выходного зеркала. Как наиболее перспективные, следует выделить самоОВФ-зеркала на основе вырожденного четырехволнового смешения (ЧВС) в средах, имеющих высокую амплитудную или фазовую нелинейность.
В [16, 17, 18] было показано, что при необходимости снижения порога генерации возможно увеличить коэффициент усиления путем реализации многопетлевой схемы резонатора.
Как будет показано в оригинальной части, лазер с многопетлевым резонатором позволяет объединить в одном кристалле задающий генератор и усилители, что приводит к значительному уменьшению габаритов, а также цены системы. Явление многократного обращения волнового фронта приводит к сужению полосы генерации, динамической коррекции аберраций, тепловых линз и других искажений пучка, что позволяет наращивать одновременно мощность и качество излучения. Описанные преимущества выделяют метод ОВФ при ЧВС в активной среде как перспективный при решении поставленной задачи получения источников высокой яркости.
Пусть в активной среде происходит пересечение двух монохроматических когерентных волн, в результате чего в пространстве активного вещества формируется интерференционная картина. Рассмотрим распределение интенсивности в интерференционной картине, которую могут создавать когерентные пучки. I(r,t) = I0(t) + AI(t)cos(q-r + ф) f (19) где Io - интенсивность, I - модуляция интенсивности, q - волновой вектор интерференционной картины и - фаза. Это распределение интенсивности порождает следующие изменения в среде. 1.3.1 Тепловые решетки и решетки показателя преломления Поглощение излучения вызывает изменение температуры, которое описывается тепловым уравнением [20, 21]: dT(r,t) к 2гг а = V Т(гЛ) + I(rJ) dt рср рср (1Л) где Т - температура, к - термическая проводимость, - плотность, ср -теплоемкость, - поглощение. Периодическая структура интерференционной картины вызывает периодическое распределение температуры в веществе. T(r,t) = Tb+bTQ(t) + bT(t)cob(q-r + fi) (in) что в свою очередь приводит к модуляции показателя преломления: n(r,t) = nb+ An0(t) + An(t)cos(q -r + ф) (U2), где Ть и Пь - невозмущенная температура и показатель преломления. Т и по (=(dn/dT)T0) - отклонения от невозмущенных температуры и показателя преломления, соответственно, и Т и n (=(dn/dT)T) - соответствующие амплитуды модуляции. Среды с высоким термическим коэффициентом, такие как полупроводник HgCdTe, где — = 10 2 на длине волны =1064 нм, или жидкие кристаллы, где — = 103 при комнатной температуре и — = 102 около температуры перехода позволяют реализовать тепловые решетки в среде с наибольшей дифракционной эффективностью [21]. Рассмотрим, следуя [22], формирование решеток показателя преломления в электрооптическом материале - фоторефрактивых кристаллах. Рисунок 1.4 показывает процесс формирования решетки, а результат этого процесса показан на рисунке 1.4а
Высокая интенсивность в пучностях интерференционной картины становится причиной появления подвижных носителей заряда (электронов или дырок) и перевода их в зону проводимости. Подвижные носители теперь могут свободно распространяться по материалу до тех пор, пока не произойдет их рекомбинация с дыркой. Результирующее распределение плотности пространственного заряда (z) показано на рисунке \Лb, в котором видно, что регионы в пучностях интерференционной картины приобрели избыточное количество свободных носителей, в то время как в узлах наблюдается их отсутствие. На графике (рисунок 4с) показано перераспределение электрического поля Е(z), которое возникло в веществе вследствие изменения расположения заряда
Дифракционная эффективность решеток и их количество в лазерах с рассматриваемыми схемами резонаторов. Механизм управления энергетическими и пространственными характеристиками излучения
Обращение волнового фронта позволяет обеспечить не только самокомпенсацию внутрирезонаторных искажений лазерного излучения, но и решить проблему получения лазерной генерации с высокими КПД и мощностью при качестве лазерного пучка близком к дифракционному пределу. Как уже было подробно описано в разделе 1, одним из путей осуществления лазерной генерации с обращением волнового фронта является реализация самонакачивающегося вырожденного четырехволнового смешения непосредственно в активной среде лазера [15, 16, 18, 44, 50, 62-67]. При этом для реализации самообращения волнового фронта не требуются никакие дополнительные нелинейные элементы и источники накачки.
Напомним, что в этом случае резонатор лазера с самообращением волнового фронта имеет петлевую конфигурацию, в которой система зеркал обеспечивает самопересечение в активной среде внутрирезонаторных пучков излучения. В режиме реального времени пересекающиеся внутрирезонаторные пучки интерферируют друг с другом и записывают динамические голографические решетки в виде пространственной модуляции коэффициента усиления. Дифракция излучения на голографических решетках происходит с обращением волнового фронта и приводит к возникновению обратной связи в резонаторе ОВФ-лазера. Пороговое условие самостартующей лазерной генерации выполняется, когда усиление за полный обход резонатора становится больше единицы, причем в данном случае это обеспечивается не только прохождением излучения через усиливающую среду, но и его эффективной дифракцией на решетках коэффициента усиления. Таким образом, коэффициент усиления должен быть достаточно высок для того, чтобы обеспечить одновременно высокую эффективность обоих этих процессов в лазерной среде. В [44, 62-64, 67] эта задача решается добавлением в петлевую схему дополнительных усилителей. Альтернативным способом решения задачи увеличения коэффициента усиления за полный обход самостартующего ОВФ-резонатора является оптическая схема, в которой в одном активном элементе обеспечивается многократное пересечение пучков, сопровождающееся записью большого количества решеток коэффициента усиления [67]. Для этого реализуются дополнительные петли и проходы в усиливающей среде.
Появление в последнее десятилетие мощных диодных лазеров привело к тому, что диодную накачку также стало возможно использовать для реализации мощных лазеров [68, 69]. Из-за большего перекрытия контуров излучения диодов и поглощения атомов неодима КПД свет-свет возможно повысить от единиц до десятков процентов. В связи с этим в настоящее время ламповая накачка практически не используется. Таким образом, еще одним способом увеличения коэффициента усиления лазерной среды является эффективная накачка лазерной среды полупроводниковыми лазерными диодами высокой интенсивности, что позволяет реализовать лазерную генерацию с самообращением волнового фронта в лазерной среде [18, 50, 62, 63, 65, 67].
В настоящей работе проведены сравнительные исследования нескольких конфигураций лазерных самонакачивающихся ОВФ-резонаторов на многоволновом взаимодействии. Наличие дополнительных петель, приводящее к возникновению дополнительных решеток, позволяет настолько повысить коэффициент усиления, что становится возможной генерация без выходного зеркала. Рассмотрим однопетлевую схему лазерного самонакачивающегося ОВФ-резонатора, показанную на рисунке 2.1. Рисунок 2.1 – Схема лазерного самонакачивающегося ОВФ-резонатора с шестиволновым взаимодействием: 1, 2, 3 – зеркала резонатора, 4 – активный элемент.
Излучение, развивающееся из спонтанной люминесценции, проходит оптический путь, отражаясь последовательно от зеркал 3-2-1-2-3. Габаритные размеры активного элемента таковы, что его длина значительно превышает ширину, поэтому возможно рассматривать углы схождения пучков в данной схеме как малые.
В этой схеме присутствует не только самопересечение пучков в лазерном элементе, но и дополнительный проход излучения (путь между зеркалами 2 и 3 на рисунке 2.1) через усиливающую среду. Таким образом, эта схема эквивалентна схеме с дополнительным усилителем [44, 62, 63], но в нашем случае, согласно рисунку 2.1, усиление происходит в верхней части активного элемента, а самопересечение внутрирезонаторных пучков – в нижней части того же самого лазерного элемента. Кроме того, из-за малости углов пересечения всех рассматриваемых пучков, лазерный пучок, усиленный в результате дополнительного прохода, имеет большую область перекрытия с остальными и поэтому также участвует в интерференционных процессах. Таким образом, можно рассматривать шестиволновое взаимодействие в лазерной среде как совокупность трех процессов вырожденного четырехволнового смешения [70]. С целью увеличения лазерного усиления за обход резонатора, возможно увеличить число самопересечений внутрирезонаторного излучения в лазерной среде, и разработать схему лазерного самонакачивающегося ОВФ-резонатора на восьмиволновом взаимодействии, представленную на рисунке 2.2. В этой схеме излучение спонтанной люминесценции усиливается последовательно отражаясь от зеркал 2 – 4 – 3 – 2 – 1 – 2 – 3 – 4 – 2. Данная схема несимметрична, из-за чего она обладает следующими особенностями. С одной стороны, близкое расположение одного из зеркал уменьшает дифракционные потери. С другой стороны, геометрия правой части схемы требует разведения в пространстве четырех пучков, что увеличивает длину правого плеча и габаритные размеры всей установки.
Методики измерения энергетических и спектральных характеристик излучения твердотельного лазера
Для всех рассмотренных в разделе 2.1 типов резонаторов проводилось исследование оптимальной длины системы для достижения наибольшей энергии в импульсе. Исследование для несимметричной четырехпроходной схемы (рисунок 3.10), вследствие того, что ее габаритные размеры наибольшие, проведены наиболее тщательно [79 - 81].
Схема голографического твердотельного лазера и системы измерений: 1 – зеркала резонатора, 2 – квантрон, 3 – траектория хода лучей, 4 – CCD камера, 5 – поворотное зеркало. Как было описано в разделе 3.1 в нашем эксперименте использовался кристалл длиной 110 мм с круглой апертурой диаметром 6.3 мм. Необходимо, чтобы пучок, входящий в кристалл от опорного зеркала 1a, а также пучок, отраженный от заднего глухого зеркала 1b и выходящий из кристалла, проходили его без отражений от боковых граней. Это означает, что расстояние между этими пучками на переднем торце кристалла должно быть меньше его апертуры. Таким образом, задается ограничение на угол поворота заднего глухого зеркала. Угол и длина резонатора L, где L– расстояние между центрами поворотных зеркал 1c и 1d и ближним торцом кристалла, однозначно определяют геометрические параметры резонатора. Таким образом, оказываются фиксированными и одинаковыми, поскольку опираются на один и тот же угол 4, расстояния от центра опорного глухого зеркала 1a и ближайшей точкой на оси генерации и расстояние между центрами поворотных зеркал 1c и 1d. Ось генерации проходит посередине между поворотными зеркалами. Учитывая, что диаметры зеркал равны 15 мм при толщине 5 мм, получается, что расстояние между краями поворотных зеркал 1c и 1d должно быть не менее 7 мм. Угол между поворотными зеркалами 1c и 1d равен /2-2. Расчетные параметры резонатора сведены в таблицу
Длина резон атора L, мм Максимальный уголповоротазаднегоглухогозеркала ,радиан Расстояние между центром опорного глухого зеркала 1а и центром первого поворотного зеркала 1с, мм Расстояниемеждуцентрамиповоротныхзеркал1с и 1d,мм Расстояние между центром опорного глухого зеркала 1а и точкой на оси генерации в плоскости поворотных зеркал, мм Расстояние от центра пучка до центра кристалла на его переднем торце, мм Ширинапучка,проходящаячерезапертурукристалла(степеньвиньетирования), мм
Также в таблице приведена степень виньетирования пучка, то есть расстояние от края пучка на входе в передний торец кристалла до края апертуры кристалла (например, при длине резонатора L = 400 мм от пучка диаметром 6 мм в кристалл попадает лишь крайняя часть меньшая 1 мм). Сравнение эффективностей полученных таким образом резонаторов проводилось путем измерения энергетических и пространственных характеристик лазера. Рассматривались схемы лазера с длинами резонаторов 800, 600, 550, 500 и 400 мм.
Для каждой из длин проводилось измерение энергетических и пространственных характеристик излучения при различных энергиях и частотах следования импульсов накачки в диапазоне 10-25 Гц.
На рисунке 3.11 приведены зависимости энергии генерации от длины резонатора при частоте следования импульсов 10 Гц и токах накачки 40А, 45 А, 50 А (что соответствует энергиям накачки 2,9 Дж, 3,27 Дж, 3,63 Дж). Из рисунка видно, что уменьшение линейных размеров резонатора с 800 до 550 мм привело к более чем полуторакратному увеличению энергии в импульсе генерации при незначительном ухудшении качества пучка излучения. Из рисунка также видно, что зависимости имеют экстремум. Максимальным значениям энергии генерации соответствует длина резонатора 550 мм, при которой достигается оптимальное соотношение между дифракционными потерями и потерями при виньетировании пучка и соответственно максимальное значение эффективности решеток коэффициента усиления. Различия в углах наклона ветвей экспериментальных зависимостей указывает на степень влияния каждого вида потерь. Следовательно, дифракционные потери снижают выходную энергию генерации в большей степени, нежели потери при виньетировании пучка. Одинаковое изменение длины резонатора в противоположных направлениях от оптимума, например на величину 50 мм при токе накачки 50 А, приводит к потерям энергии генерации за счет преимущественно дифракции на 6,8%, в то время как за счет виньетирования на 4,6 %.
В результате можно заключить, что для данной схемы резонатора оптимальная характеристическая длина L = 55 см, а длина всей системы в целом (сумма характеристической длины, длины кристалла и расстояния до заднего зеркала b) составляет величину около 70 см.
Подобного рода оптимизация длины проводилась и для трех и пяти проходных резонаторов лишь качественно. Было выяснено, что оптимальная энергия в импульсе достигается при общей длине системы около 35 см. В последующих разделах рассматривались лазеры с оптимальной длиной резонатора, указанной в этом разделе.
Результаты измерения энергетических и спектральных характеристик для схемы, реализующей восьмиволновое взаимодействие
С помощью юстировки углов схождения пучков в активном элементе для лазера, реализующего десятиволновое взаимодействие (лазер 2) мы повысили порог его свободной генерации (без ПЛЗ) до порога свободной генерации лазера, реализующего шестиволновое взаимодействие (лазер 1). Это позволило нам провести количественное сравнение параметров перевода исследуемых лазеров в режим пассивной модуляции добротности.
На рисунке 3.35 представлены результаты измерений выходных параметров лазеров с ПЛЗ. Рис. 3.35а и 3.35b демонстрирует осциллограммы импульсов генерации лазера 1 при энергии импульсов накачки Wpump = 4 Дж (рисунок 3.35а) и Wpump = 5.8 Дж (рисунок 3.35b). В лазере 2 временные параметры были аналогичны. Видно, что при увеличении энергии накачки число генерируемых импульсов увеличивается, что обусловливает увеличение энергии цуга импульсов с Wtrain = 0.1 Дж (один импульс в цуге) до Wtrain = 0.4 Дж (четыре импульса в цуге) при сохранении энергии отдельных импульсов (Wpulse = 0.1 Дж). демонстрирует энергетические параметры генерации лазеров 1 и 2 как при использовании ПЛЗ, так и без ПЛЗ. Видно, что эффективность режима пассивной модуляции добротности относительно режима свободной генерации при максимальной накачке возрастает примерно до 60 %. Для лазера 1 рост выходной энергии является линейным с дифференциальным к.п.д. 22 % в режиме свободной генерации и 17 % в режиме пассивной модуляции добротности. Лазер 2 в режиме свободной генерации имеет более высокий начальный угол нарастания выходной энергии (дифференциальный к.п.д. 25 %), чем лазер 1, но при высоких энергиях накачки наблюдается малое отклонение от линейного роста, вызванное повышением дифракционных потерь из-за небольшого ухудшения пространственного качества пучка (параметр качества пучка М2 возрастает с 1.3 до 1.5). В режиме пассивной модуляции добротности в лазере 2 отклонение от линейного роста выходной энергии увеличивается так, что при максимальной накачке энергия цуга импульсов оказывается даже несколько ниже (Wtrain = 0.47 Дж), чем для лазера 1 (Wtrain = 0.51 Дж). Энергия отдельных лазерных импульсов при увеличении энергии импульса накачки почти не изменяется и составляет около Wpulse = 0.1 Дж как в лазере 1, так и в лазере 2.
В отличие от энергетических параметров длительность отдельных генерируемых импульсов в лазерах 1 и 2 (при использовании ПЛЗ) отличалась значительно. В лазере 1 она составляла 12-13 нс, а в лазере 2 – 7-9 нс. Поэтому пиковая мощность в лазере 2 достигала 10-14 МВт, что примерно в полтора раза выше, чем в лазере 1. Полученный результат сокращения длительности импульсов в лазере 2 согласуется с результатом представленного выше моделирования и объясняется более быстрым затиранием решеток усиления в АЛЭ под действием генерируемого лазерного импульса при низкой (припороговой) интенсивности накачки (превышение порога генерации в эксперименте было не более чем в 2 раза). При высокой энергии накачки, когда превышение порога генерации приближается к двукратному, эффективность пассивной модуляции добротности в лазере 1 оказывается выше, чем в лазере 2, что также согласуется с результатом моделирования.
Насыщающийся поглотитель YAG:Cr4+, помещенный так, чтобы множество всех взаимодействующих пучков пересекало его объем, позволяет уменьшать интенсивности усиленных пучков, что повышает контраст решетки коэффициента усиления. Повышение эффективности работы решетки коэффициента усиления приводит к возможности реализации режима с эффективностью преобразования в режим модуляции добротности 55% и пиковой мощностью до 15 МВт.
Из проведенных исследований также следует, что варьируя материал и начальное пропускание затвора, а также энергию и длительность импульса накачки, можно осуществлять управление режимами генерации гигантских импульсов в диапазоне от 100 кВт до 15 МВт, при незначительном изменении энергии в цуге гигантских импульсов и без изменения энергии накачки. Возможно изменять энергию и длительность пика генерации, пиковую мощность, а также плотность пиков в цуге. При этом все режимы сохраняют качество излучения близкое к дифракционному пределу.
1. Исследован спектр генерации Nd:YAG лазера с петлевым самонакачивающимся ОВФ-резонатором на вырожденном четырехволновом взаимодействии непосредственно в лазерной среде при поперечной мультикиловаттной диодной накачке с мощностью до 13.9 кВт в зависимости от длины области накачки. Выявлено, что ширина полосы генерации обратно пропорциональна длине области накачки. Абсолютные значения ( 100 МГц) ширины полосы генерации и выявленная закономерность оказались близки к величинам спектральной селективности голографических решеток коэффициента усиления и ее обратно пропорциональной зависимости от толщины объемной голограммы. Это подтверждает, что механизм лазерной генерации при самонакачивающемся вырожденном четырехволновом взаимодействии в лазерной среде определяется в основном работой решеток коэффициента усиления.
2. Наличие дополнительной петли обратной связи в исследуемом Nd-YAG лазере с многопетлевой схемой резонатора при низкой (припороговой) интенсивности накачки компенсирует недостаток интенсивности накачки благодаря увеличению числа проходов усиливающей лазерной среды за обход резонатора лазерным излучением. Это приводит к повышению интенсивности повторяющихся пичков генерации по сравнению с интенсивностью начального гигантского лазерного импульса при самомодуляции добротности резонатора на решетках усиления с дифференциальным к.п.д. генерации 25 % и выходной энергией до 1.25 Дж. Это также обеспечивает сокращение длительности генерируемых импульсов с 13 до 7 нс и увеличение пиковой мощности до 14 МВт в режиме пассивной модуляции добротности оптически плотным кристаллом YAG:Cr4+, что объясняется более быстрым протеканием процессов записи и стирания решеток усиления в активной среде под действием генерируемого лазерного импульса, но при повышении энергии накачки, когда превышение порога генерации приближается к двукратному, эффективность пассивной модуляции добротности в лазере без дополнительных петель оказывается выше.