WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 |

На правах рукописи

Кострюков Павел Владимирович ПРОСТРАНСТВЕННАЯ СТРУКТУРА ИЗЛУЧЕНИЯ ПРИ СИНХРОНИЗАЦИИ ПОПЕРЕЧНЫХ МОД В ЛАЗЕРАХ С ПРОДОЛЬНОЙ НАКАЧКОЙ Специальность 01.04.21 — лазерная физика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва – 2009

Работа выполнена на кафедре общей физики и волновых процессов физического факультета Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова Научные руководители: доктор физико-математических наук, профессор Тункин Владимир Григорьевич кандидат физико-математических наук Горбунков Михаил Валериевич

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор Быков Владимир Павлович доктор физико-математических наук, профессор Кравцов Николай Владимирович

Ведущая организация: ФГУП НИИ «Полюс» имени М.Ф. Стельмаха

Защита состоится 14 мая 2009 г. в 1600 на заседании диссертационного совета Д 501.001.31 при Московском государственном университете имени М.В. Ломоносова по адресу: 119991, ГСП-1, Москва, Ленинские горы, МГУ, дом 1, строение 62, корпус нелинейной оптики, аудитория имени С.А. Ахманова.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова

Автореферат разослан «_» 2009 года

Ученый секретарь диссертационного совета Д 501.001.31, кандидат физико-математических наук, доцент Т.М. Ильинова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы Диодная накачка твердотельных лазеров вызывает в настоящее время все больший интерес, поскольку позволяет получить высокую эффективность генерации, качество излучения при относительной простоте реализации и компактности1,2. В режиме генерации на нескольких поперечных модах эффективность «свет – свет» лазеров с диодной накачкой может достигать 70%3,4.

Для многих практических применений предпочтителен режим одномодовой 5 генерации. Так, в сообщается о реализации высокоэффективной (58%) одномодовой генерации с близким к гауссовому распределением поля при использовании поперечной схемы накачки. Усреднение пространственной неоднородности накачки проводилось в достаточно сложной схеме с применением геометрии полного внутреннего отражения в активной среде и специально разработанного, астигматически исправленного резонатора с цилиндрическими элементами. Другой и более простой с практической точки зрения способ генерации одномодового излучения — использование продольной схемы накачки, при которой излучение накачки вводится в активную среду вдоль оси резонатора через одну из торцевых граней. Практический интерес представляет случай узкого пучка накачки, диаметр которого меньше диаметра нулевой моды холодного резонатора. Именно в этом случае удается реализовать высокоэффективную генерацию на гауссовой моде холодного резонатора6.

Разработка и оптимизация твердотельных лазерных систем с продольной диодной накачкой представляет собой достаточно емкую задачу. Частью ее является исследование пространственной структуры выходного лазерного излучения.

D.W. Hughes, J.R.M. Barr, Journal of Physics D: Applied Physics, 25, 563-586 (1992).

Н.В. Кравцов, Квантовая электроника, 31(8), 661-677 (2001).

J. Zehetner, Optics Communications, 117, 273-276 (1995).

M.O. Ramirez et al., Applied Physics B, 77, 621-623 (2004).

A. Minassian, B. Thompson, M.J. Damzen, Applied Physics B, 76, 341-343 (2003).

P. Laporta, M. Brussard, IEEE Journal of Quantum Electronics, 27(10), 2319-2326 (1991).

Одной из причин искажения пространственной структуры выходного излучения являются дифракционные эффекты на внутрирезонаторных элементах.

Основным таким элементом в лазерах с продольной диодной накачкой, является активная среда с профилированным, т.е. неоднородным по поперечному сечению, распределением усиления, характерным для случая узкой накачки.

Активная среда с профилированным усилением представляет собой элемент с негауссовой функцией пропускания. В общем случае излучение лазера с таким элементом должно отличаться от гауссовых пучков, описывающих моды резонатора с гауссовыми элементами. Возникает естественный вопрос, какими изменениями пространственной структуры излучения сопровождается выигрыш в эффективности генерации, полученный за счет формирования профилированного усиления При этом актуальной является задача о влиянии конфигурации резонатора на искажения пространственной структуры за счет профилированного усиления.

Продольная схема накачки используется не только в твердотельных лазерах с диодной накачкой. Она также находит применение для накачки лазеров на красителях и лазеров на титан-сапфире. Кроме того, реализованы продольные схемы накачки твердотельных активных сред излучением газовых, твердотельных и лазеров на красителях.

Эксперименты7,8,9 показывают, что существует ряд так называемых критических конфигураций резонатора, в которых при накачке узким пучком наблюдаются заметные отличия пространственной структуры излучения от гауссовой, в то время как при достаточной отстройке от критических конфигураций пространственная структура излучения близка к гауссовой. Существование критических конфигураций связывается с вырождением мод холодного резонатора по частоте. Любая суперпозиция вырожденных по частоте мод самовоспроизводится за полный обход резонатора10. Перераспределение энергии в системе мод в условиях пространственной неоднородности усиления приводит к Q. Zhang, B. Ozygus, H. Weber, The European Physical Journal - Applied Physics, 6, 293-298 (1999).

H.-H. Wu et al., Optics Communications, 165, 225-229 (1999).

G. Martel et al., Optics Communications, 201, 117-127 (2002).

Ю.А. Ананьев, Оптика и спектроскопия, 64(3), 650-652 (1988).

синхронизации поперечных мод: формируется суперпозиция, обеспечивающая максимальное усиление. Для того чтобы обеспечить синхронизацию поперечных мод, или наоборот, исключить возбуждение высших мод в лазерах с продольной накачкой, необходимо исследование как системы критических конфигураций на диаграмме устойчивости, так и пространственной структуры излучения в окрестности отдельных критических конфигурациях в зависимости от параметров резонатора и накачки.

Чувствительность выходных распределений излучения к параметрам накачки, в частности к мощности и диаметру пучка, позволяет рассматривать синхронизацию поперечных мод в контексте диагностических применений, например для измерений фокусного расстояния тепловой линзы11.

Световые пучки с негауссовыми распределениями интенсивности, формирующиеся в резонаторах с вырождением при профилированном усилении, могут найти применения для создания новых оптических ландшафтов в технологии манипуляции микро- и наночастицами c помощью лазерного излучения12.

В имеющихся на данное время работах рассмотрена синхронизация поперечных мод в лазерах с резонаторами длиной до десятка сантиметров. Во многих типах пикосекундных и фемтосекундных лазеров применяются резонаторы длиной ~100 см и более. Синхронизация поперечных мод в резонаторах такой длины не рассматривалась.

Таким образом, синхронизация поперечных мод в лазерах с продольной накачкой представляет собой многогранную задачу, исследование которой является в настоящее время актуальным по целому ряду аспектов.

Цели и задачи диссертационной работы 1. Расчет методом Фокса-Ли распределений амплитуды, фазы и модового состава излучения для критических конфигураций. Определение количества критических конфигураций на диаграмме устойчивости в зависимости от числа Френеля.

B. Ozygus, Q. Zhang, Applied Physics Letters, 71(18), 2590-2592 (1997).

D.G. Grier, Nature, 424, 810–816 (2003).

2. Определение значений параметров резонатора и накачки (коэффициента и степени неоднородности усиления), обеспечивающих синхронизацию поперечных мод в критических конфигурациях. Разработка аналитической модели для получения простых оценок данных значений.

3. Исследование эффекта синхронизации поперечных мод в лазерах с метровыми резонаторами и сравнение с результатами, полученными при длине резонатора до десяти сантиметров.

4. Исследование пространственных распределений интенсивности излучения диодных линеек с волоконным выводом. Разработка модели расчета распределения инверсии населенностей в активной среде.

Научная новизна 1. Впервые определено влияние числа Френеля на количество критических конфигураций на диаграмме устойчивости двухзеркального резонатора. По форме распределений интенсивности на зеркалах обнаружено существование двух типов критических конфигураций, определяемых параметрами вырождения.

2. Разработана аналитическая модель двух пучков, взаимодействующих за счет пространственной неоднородности усиления, позволяющая определить условия, обеспечивающие синхронизацию поперечных мод. Показано, что результаты аналитической модели близки к полученным численным методом Фокса-Ли.

3. Оригинальными являются полученные оценки пороговых значений параметров распределения усиления (диаметра и усиления на оси) и ширины диапазона отстроек от строгого вырождения, при которых реализуется синхронизация поперечных мод.

4. Впервые исследована синхронизация поперечных мод в лазере с метровым резонатором. Обнаружено нарушение круговой симметрии пространственной структуры излучения, связанное с астигматизмом резонатора. Определены условия проявления астигматизма.

Практическая ценность 1. Получены простые аналитические оценки значений диаметра накачки, позволяющих обеспечить или исключить проявление той или иной критической конфигурации. Определены ширины критических областей на диаграмме устойчивости.

2. Продемонстрирована возможность диагностики слабого астигматизма лазерных кристаллов в условиях расщепления вырождения при синхронизации поперечных мод. Показано, что для диагностики предпочтительно использовать глухие резонаторы больших длин.

3. В схеме компактного лазера с накачкой одиночным лазерным диодом мощностью 5 Вт продемонстрирована возможность разделения конфигураций резонатора на критические и некритические в случае использования в качестве активной среды кристаллов Nd:YLF и невозможность такого разделения в случае кристаллов Nd:YAG. Предложена методика поиска оптимальной конфигурации резонатора.

Защищаемые положения 1. Число областей на диаграмме устойчивости двухзеркального лазерного резонатора, в которых при продольной накачке реализуется синхронизация поперечных мод, растет с увеличением числа Френеля, оставаясь ограниченным значением, определяемым отношением диаметров пучка накачки и нулевой моды холодного резонатора. Области синхронизации расширяются с увеличением резонаторных потерь.

2. Излучение, формирующееся при синхронизации поперечных мод в лазере с продольной накачкой, в зависимости от параметров вырождения имеет на противоположных зеркалах либо близкие, либо существенно различающиеся распределения интенсивности.

3. Модель, построенная на анализе взаимодействия двух мод в условиях пространственно неоднородного усиления, позволяет получить аналитические выражения для пороговых значений параметров распределения усиления и параметров резонатора, при которых реализуется синхронизация поперечных мод.

4. При синхронизации поперечных мод в условиях проявления астигматизма резонатора для каждого обнаруживающегося вырождения имеют место две различные длины резонатора, при которых излучение представляет собой суперпозиции эрмит-гауссовых мод с нулевыми значениями первого и второго индекса соответственно.

Апробация результатов работы Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 4 научных статьях в рецензируемых журналах из списка ВАК России «Квантовая электроника» и «Applied Optics» и докладывались автором на международных конференциях: IV Международная конференция молодых ученых и специалистов «Оптика – 2005», Санкт-Петербург, Россия, 17–21 октября 2005; «The Third Conference on Laser Optics for Young Scientists (LOYS 2006)», Saint-Petersburg, Russia, June 26–30, 2006; International Conference on Lasers, Applications, and Technologies (ICONO/LAT 2007), Minsk, Belarus, May 28 – June 1, 2007; XV Международная научная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов», секция «Физика», Москва, Россия, 8–11 апреля 2008; International Conference «Laser Optics 2008», St.Petersburg, Russia, June 23–28, 2008, а также на семинарах кафедры общей физики и волновых процессов физического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова, Института кристаллографии имени А.В. Шубникова РАН и отделения квантовой радиофизики Физического института имени П.Н. Лебедева РАН.

Структура и объем работы Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка цитируемой литературы. Работа изложена на 134 страницах, включает в себя рисунков, 4 таблицы и 78 формул. Список цитируемой литературы содержит наименований.

Личный вклад автора Все изложенные в диссертационной работе оригинальные результаты получены автором лично или при его непосредственном участии.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы ее цели и задачи, научная новизна и защищаемые положения.

Pages:     || 2 | 3 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»