Введение к работе
Актуальность ппобломы» Одно"г из актуальных задач квантовой электрошпш является разработка и псследоватю новых типов твердотельных лазеров, оптических квантовых усилителей. Успешное пршенегаю лазеров практически во всех областях науки и техішкп сталирует разработку элективных активных сред для о-ЕОогаш новых спектральных диапазонов генеращш, улучшетш энергетических, спектральных п временных характеристик лазеров, создание на их основе приборов и установок различного назначения, способных работать в самых разнообразных условиях.
Столь огрогягы!! и постоянна, интерес к развитии лазерной физики определяется тгпегде всего цолш рядом прнкладпгх и научных задач, для решения которых требувтея новіґ псточтисн поидо-го светового излучения с заранее заданными характеристиками. Ввиду развития интегральной оптиізі среди судествуге;;':: лазеров
и усилителей восьма значительными оказались воліюводішо лазерц на ноодимовых стеклах.
Стекло, активированное неодимом, является одним из основних материалов квантовой электроники. Применение стекла в каче стве активной среда лазеров дает возможность создать целое многообразие конструїпдии лазеров и усилителей: активные элемента имеют любую форму -- от волокон диаметром в несколько микрон до дисков диаметром десятки сантиметров.
Легкость изготовлешш актішішх элементов в виде стекловолокна, возможность придать волноводннм лазерам компактный вид, простота конструкции этих лазеров и возможность получения любого, заранее зздаїаюго распределения интенсивности поля излучения делают их вартими для решения различных научіаа и практических задач оптоэлзктроникн и оптической обработки информации. ІЗолоіаіа, изготовлешшв из иеодимового силикатного стекла, позволили всесторонне изучить влияние і-аю па генерационные и уси лителышо свойства твердотельных лазеров.
Основным объектом исследований в диссертационной работе явились многомэдовио волновода, нзготовлешше из силикатного ноодимового стисла. Выбор миогомодовнх свотоводов в качестве активного элемента лазера обусловлен необходимостью получения достаточно интенсивных световых импульсов генерации. Для доста-"оп.тл этой доли наиболее э-3фектнвны;.:п оказались дллншо (до 80 см) п топкие (1,3-2 мм) волноводы, названные нами сппцевпдіш.мл активными элементами. Сохранял волноводше свойства и гибкость, сігтпеїпідине аптлвіше элементы оказались весьма D"v?:->T;:B;i';va для слгз-ан;л взлноводішх лазеров с энергией излучения "С.--5 )';:: в п:'.тульоо. 1!р:; этом, розкос упрощенно проблемі охлгги-зи:.; а;:тп-
х волноводов даот возможность создать лазерные установки о юкой часте гой повторения генерируемых импульсов. Следует же отметить низкую пространственную когерентность и jucoicyn ;ородаость распределения интенсивности поля излучения. Все і позволяем использовать мощішо спіщевидіше волноводіше ла-ііі при решении целого ряда технологических задач лазерной іаботгаї материалов, напчления тонких пленок, скраибированіш шкросварки, маркировки изделий и др.
Проведенными в диссертационной работе исследованиями до-іана высокая эффективность волноводных неодииовых лазеров, іаружеіщ ряд полокительншс эффектов влияния КЦО на усилитель-I и генерационные свойства лазеров и квантовых усилителей.
Из изложенного следует актуальность физичес-: исследований процессов усиления и генерации волноводных «домовых лазеров.
Целью диссертации являет"?:
-
исследовать процесс распространения лазерного излуче-і в многомодовых волноводах;
-
исследовать процессы усиления в волноводных (волокон-:, сшщевидних) оптических ісвантовнх усилителях на неодшо-: силшеатных стеклах;
-
исследовать кинетику генерации волноводных неодшловнх іеров, изучить их энергзтичес іе, временные и спектралышо )актеристшш;
-
изучить основные свойства КЦО в силикатных стзкяоволо-IX и их влияние на і.^оцесси усиления и генерации спотових
iyj">COB.
Научная новизна. В результате проведенных эксперимента! них и теоретических исследований впервнэ:
установлено, что величина комплексной степени когереї: ности, временная дисторсия и коэффициент потерь на единицу длили световода является налшші'шой функцией длины волокла (для і.шогомодовнх световодов длиною порядка метра);
показало, что стоклоиолокошше стантовие усилители яі ляются усилителями регенеративного типа; обнаружена аномалы зависимость коэффициента усиления от мощности входного снгне d присутствии КЦО в активних элементах;
доказано, что при поглощении фотонов, излучаемых нео; мом, происходит винукдетшй распад КЦО, приводящий к эффекту модуляции добротности стекловолоконного резонатора п укорач;1 н:пэ усиливаемых светових импульсов отекловолокошшм усилите;
обнаружено, что наличие КЦО в ахтишшх элементах прш дат к сущэствешюму увеличению элективного времени ШІЗШІ ш
мстастабпльпом уровнэ ионов неодима, тем самім резко увелпчпЕ коэффициент усиления активной среда п улучаач энергетические рактеристпкн твердотельных лазеров;
показано отсутствие модовоіі структури в распределены; поля излучения волноводного лазера и низкая пространственная гпронтность излучения, вызванное сильным прострлнетвошшм пех чритпем генерируемых МОД В МНОГО" ЮДОПЫХ волноводах, обеспечит щим генерации на связанных: типах колебали!:;
исследованием генерационных к уеллхгслып:;; свойств ж v.D2 тлых лазеров показало, что максимальное яаіо".'.;г-'о"ьігое ьл; и ;э ч",? на тоомегрц твердотольних лазеров на h-:oj,;itj^'jx оте;
ентраїишх 'J[О К)19 - Ю20 см-3;
- проведен анализ кинетических уравнении процессов усилв-н генерации полноводного лазера с учетом эффекта винужцон-
распада КЦО в активных элементах.
Научная и практическая значимость работы. Получешше ре-тати исследования кшютикл генерации волііово,дних лазеров олшш углубить наши знания о процессах усиления и генера-в твордотелышх лазерах, выявили значительное влияние 1СЦ0 ти процессы; чнолешшо расчеты на Э3!.1 системы дофрерзшдаа-х уравнений, описывающие это влияние, полностью подтверди-атученішв наїш экспериментальные результаты.
06nvyseim новиз закономерности распространения лазерного чешш іарез шюгомодошіе световоды с учетом эффекта иару-ого полного внутреннего отражения (НГЮО), имеющие паяное гпчоскоо значение при построении волоконно-оптических схем. иохен новый метод измерения временной діготорсип евстовік льсов при их распространзшш в гаюгог.годовых коротких свето-
Результати исследовшшя характеристик стекловолоконных говых усіиптелвй в присутствия Щ) в активном элементе по-шт создать устройства с коэффициентом усиления до 10 при їреглешгом сокращении длительности импульса в 2 раза на
длины волокна. Обнаруженный аномальний рост коэффициента эния с ростом мощности входного сигнала (при геїзких уров-
топдюстл входного импульса) позволяет создать эффективный ітель контрастности оптического изображения.
Получешшо теоретические и экспериментальные результати їдоваї'лл генерационных характеристик стекловолохошшх и
спицевидшіх лазеров позві ;ііли разработать эффективный метод главного изменения частота следования, длительности ц мощности регулярних гнгантсісих импульсов генерации, дачо возможность по лучить как изазинепрернвію'; лазерное излучение с затухающими релаксационными колебаниями, так и ультракороткие световые импульсы при самосинхронизации мод. Это резко расширило область прменения волноводных твердотелышх лазеров дня решения разлпч инх научных и технологичесшпс задач взаимодействия лазерного излучения о веществом.
D отличие от обычных лазеров волноводные лазеры представляют собоіі протяжешше ИСТОЧШІКИ излучения, и использование іггпм активных элементов позволяет создать любое, заранее заданное распределение поля излучения с крайн.; низкой пространственной когерентностью, что практически исключает появление спекл-структуры и обеспечивает високую степень однородности ПОЛЛ излучения лазера.
Возникновение КЦО в твердотельшіх активній элементах (вызванное поглощением коротковолновой части спектра лампы накачки] считалось крайне некелателышм для лазеров, приводящим к пошгас нию ЩЦ и ухудиешго знергетичесі:их характеристик лазерных споте,-.', но, как показати проведенные наглі теоретические и экспериментальные исследовали,», когда концентрация ЩО достаточно велика и сравнима с концентрацией активных центров лазерных сред, их присутствие приводит к резкому улучшению энергетических характеристик генерации лазера в режиме гигантских импульсов го-иеррщ'пі: КПД лазерной установки в режиме модуляции добротности втппвушого резонатора достигает величины 0,5^. Рто позволяет
Перенести результаты ИООЛОДОТЗЩІИЯ Процессов Г^НЭр":!:!:! волновод-
їх лазеров па обнчпые твердотельные лазери, существенно улуч-ія пх энергетические характеристики в рекшо генерации гнган-;клх импульсов, создать мощные высокоэффективные усилительные істемн.
Оптимизация внходных параметров волноводиьк неодш.'.овісс зеров п разработка отделышх узлов высокоэффективного спице— дно го лазера позволили создать промышленный образец тгглгело-честсоЯ лазерной установки ВТЛ-08 для решения различных задач кроэлектронной промышленности (напьиеіше топких пленок, шр-ровка изделий, лазерное скраибироваппе п кшсросЕярка), науки техники.
Болноводпнй технологический твердотельный лазер ВТЛ-88, пучащий серил їлощтіх регулярних гигантских импульсов с частой следования в серии 30-50 кГц (энергия излучеіпія cepmt ісї— їьсов достигает 20 Д.-., длительность серии - до I не), сказа-і особенно э^ектпвннм для получеши высококачественных топ-с пленок па прозрачных подташках. Толщина пленок, нанесенных гол серпе'} импульсов волноводного лазера ВТЛ-Є8 составляет .5 тем.
Малые диаметры полноводных элементов сильно упрощают про-пу охлаждения активної среды, что позволяет получить часто-следозакия серии гмг/лъсов в несколько герц. Отсутствие зе-л резонатора п простота конструкции лазерной установит су-тбєі'но увеличивает надежность в работе в заводские условиях, не длительности лазерних импульсов позволяет при пропедеціпі нологэтеского процесса і.таркирозпі изделии применить непевно дг:^.'.7:Д'гіїся конвейер. Основные результаты диссертационной работы внедрены в
учебшії процесе по специальности "Квантовая электроника", j соответствии с которой читается спецкурс лекции "физика лазеров" а Тбилисском государственно..! университете. Ряд задач волков одної! оптики л квантовой электроники поставлзші в учебішх лабораториях физического факультета TTV.
Нрадставлешше в диссертации результаты исследований оп-ределшот новое научное направление -физику твордотелышх волноводных лазеров.
Основино полонення, пнноскше на защиту.
-
Стоклозолокошшо квантозио усилители являются усилителями регенеративного типа.
-
Процесс просветлеши активной среди волнозодшх лазеров происходит вследствие вынужденного распада КЦО при поглощении фотонов.
-
При больших концентрациях КЦО в активних элементах резко улучшаются эиергетг "теокпє характеристики волноподішх лазеров и усилителей.
-
В зазленмэстп от концентрации КЦО в шетнвша элементах в волноводных неодииових лазерах существует различию ре:шг.ш генерации: квазинепреризшй ре?лм с релаксационными колєбаш-ямм излучения, резпм генерації гигантских импульсов и ротам самосинхронизации мод.
-
Величина неоднородного ушрзнля линии люминесценции шодпма з силнкатішх сгаклозаіоглах в н чскэльг.о раз превышает ззл;м:;пг/ усіпренил лини:: в збіпних (стерпших) активних элементах. Спектр генерации стехлозолокошюп нзодннопого лазера лмэг.т лиизі'патуїз структуру.
- II -
зтод исследования.
Экспзртюнгалышо исслэдозанля проводились с использовани-і бнстродзйствуюідзіі регистрирующей аппаратура. Теоретическое ідзлировашіе процесса усиления и гзнеращш проводилось снсто-)й дийреренпиалышх кинетических уравнении и уравнении порога. Чнслешше рошеюш проводились на ЭВМ ЕОСМ-6. При раоспэ-юнли процесса распростанешія оптнчзеїсого излучения в і.яого-лових световодах применялось приближение лучевоіі оптики. Ясо оретнческнв результати бшиї сопоставлены с экснаримонталыш-дашшми. Получено хорошее согласие экспериментальшк и то-чтнчоекнх результатов. Вследствие этого диссертационная рабо-натсе^ся экслеришнтальш-тзорзтнчэскоп. Апробация птлученшх результатов.
Основшш результати диссертационной работ докладывались обоуздались на УИ (Ташкент, 1971 г.), УШ (Тбилиси, I97S г.), (Лешшгад, 1970 г.), X (.Слов, 1980 г.), XI (Ереван, 1982г.), (Москва, 1985 г.) Всесоюзных конференциях по когорентиой и іинєіїноіі оптпкэ, на Сессиях научного совета All СССР по про-эмз "Когерентная и нздшіеГгная оптика" (Тбилиси, 1983 г., Клюв, 1986 г.), на заседании Координационного совета Гособра-ішіііл СССР по программе "Лазорц-2" (Ерэван, I9C7 г.), на зооюзішх ісонїюрзнндтх "Оптика лазеров" (Ленинград, 1980, 54 гг.), на .'.Ь:.угународних конференциях: Лазеры-79 (Орландо, l, 1979 г.), Лазори-30 (Honuir Орлеан, США, 1980 г.), Лазерц-t (Сан 'іраіщиско, США, 1983 г.), по инфракрасной фізико (ЦЪ-:, Шізешпріш, 1981 г.), "Лазери :і лх применение" (ЛоГшцпг, ', І98Г г., Дрезден, ГД?, 1985 г.), "ЗІ0Н-80" (Познань,іШ?, О г.), на Мз:.-.дунаролшх иколах по когерентно;'! оптптсо (Вехи-
из, ЧССР, I9C3 г., йэна, ГДР, 1904 г., Тбилиси, 1907 г.), на Пзгчпународном симпозиуме "Сверхбыстрые явленій в спектроскопии" (Резішкірдсбрун, ГДР, 1985 г.), на ;.1еждушродаых конференциях но эптлке (Йена, ГДР, 1987 г.) и "Тенденции ішантовоіі зло ктрошкн" (Бухарест, Румыния, 1988 г.), на Всесоюзних л Респу-бллканскж семінарах по вопросам квантовой электроника.
Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 50 работах, в той числе в 32 статьях н тэзлеах 18 докладов на Ыездународних и Всесоюзных конференциях. Кроне того, полу-чэно 5 авторских свидетельств на изобретение.
Структур?. ;і объем длесеотацлошюн работы. Диссертация состоит из введэши, трех глав и заключения. Приведен список литературы 172 наименовании, из которых 58 относится к публикациям автора. Диссертация содержіт 272 страницы машинописного текста, иллюстрации 82 рисунков на 78 страницах.
