ОГЛАВЛЕНИЕ стр
ВВЕДЕНИЕ............................................................ 4
ГЛАВА I. Конкурентное взаимодействие встречных УКИ во вра-щающихеи твердотельных кольцевых лазерах (ТКЛ) на У'АО:1Ч(13' с волнами автоподсвстки (ВА), создаваемыми с помотыо оптических обратных связей (ОС):
§1.1. Ослабление конкуренции встречных УКИ во вращающихся ТКЛ с
помощью В А (обзор теоретических и экспериментальных работ) 15
§1.2. Экспериментальная установка.................................. 20
§1.3. Взаимодействие встречных УКИ во вращающихся ТКЛ с 13А, создаваемыми с помощью внешних отражателей или квазирезонаисной ОС 28 §1.3.1. Конкурентное взаимодействие встречных УКИ во вращающихся ТКЛ в режимах акустооптической синхронизации мод при отсутствии
ВА................................................................. 29
§1.3.2. Конкурентные эффекты встречных УКИ во вращающихся ТКЛ
при встречном взаимодействии встречных воли и ВА................... 37
§1.3.3. Конкурентные эффекты встречных УКИ во вращающихся ТКЛ
при попутном взаимодействии встречных волн и В А................... 41
§1.4. Взаимодействие встречных УКИ и автостабилизация двунаправленной генерации во вращающихся ТКЛ с ВА, создаваемой квазирезо-
нансиой акустооптической ОС........................................ 44
§1.5. Конкурентные эффекты встречных УКИ в ТКЛ с ВА, создаваемой
антирезонансной акустооптической ОС................................ 51
Выводы к главе 1................................................... 56
ГЛАВА П. Невзаимные эффекты для встречных УКИ и динамика генерации вращающихся ТКЛ при резонансных и нерсзонансных периодических возмущениях:
§2.1. Конкурентное взаимодействие встречных УКИ во вращающихся ТКЛ при наличии невзаимных а кустооптических эффектов в усло-
2
виях дифракции Брэгга на бегущей УЗ волне...................... 59
§2.1.1 ТКЛ без дифракционной акустооптической ОС............... 59
§2.1.2 ТКЛ с дифракционной акустооптической ОС................. 70
§2.2. Невзаимные акустооптические эффекты для встречных УКИ при
дифракции Брэгга на стоячей ультразвуковой УЗ волне............ 76
§2.3. Взаимодействие встречных УКИ и автостабилизация двунаправленной генерации во вращающихся ТКЛ в режимах нестационарной СМ 92
Выводы к главе II................................................ 100
Г ЛАВА III. Частотные характеристики (ЧХ) вращающихся ТКЛ с ВА при устранении конкуренции встречных УКИ с помощью дифракционных акусгооптических ОС:
§3.1. ЧХ вращающихся ТКЛ с В А, создаваемой квазирезонансной дифракционной акустооптической ОС.................................. 104
§3.2. ЧХ вращающихся ТКЛ с БД и антирезонансной дифракционной
акустооптической ОС.............................................. 115
§3.3. Эффект светоиндуцированной постоянной и знакопеременной оптической невзаимности и стабилизации режима биений в ТКЛ с В А
при нестационарной дифракционной акустооптической ОС........... 118
Выводы к главе 111............................................... 123
ЗАКЛЮЧЕНИЕ. ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ...................................... 124
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ................................................ 128
ПРИЛОЖЕНИЕ. Список сокращений (ключевых слов).................... 148
3
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность работы. Во второй половине 20 века классическая оптика была дополнена, по меньшей мере, двумя новыми разделами, обусловленных созданием лазеров, - Нелинейной оптики и Оптики лазеров, что позволило перейти к изучению оптических явлений на качественно новом уровне, в частности, позволило изучать взаимодействие с веществом не только "обычных" световых волн, но и ультракоротких импульсов света (УКИ) внутри различных оптических резонаторов. Данная диссертация относится к разделу Оптика лазеров и посвящена изучению ряда невзаимных оптических эффектов для встречных УКИ - эффектов Саньяка и невзаимных фазовых и амплитудных акустооптичсских эффектов в особом случае - во вращающихся твёрдотельных кольцевых лазерах (ТКЛ) с однородно-уши-ренной линией усиления активной среды (ЛС) и медленным временем релаксации инверсной населённости. Такая постановка задачи была обусловлена рядом причин. Во-первых, сами ТКЛ являются уникальным инструментом для измерения невзаимных оптических эффектов и угловых скоростей вращения [1-Ю, 118]. Во-вторых, твердотельные АС (и, в первую очередь, YAG :Nd3+) по ряду своих лазерно-физических характеристик существенно превосходят газовые АС. Так, за счет большой ширины линии люминесценции и большого коэффициента усиления в ТКЛ па YAG:Nd3+, даже при малом периметре резонатора, возможно получение режима вынужденной синхронизации мод (СМ), в котором моды стабилизированы и эквидистантны, а встречные волны (ВВ) представляют собой периодические последовательности УКИ с длительностью много меньшей времени обхода светом резонатора [11-38]. Таким образом, благодаря режиму СМ удается существенно улучшить спектрально-временные характеристики излучения ТКЛ и более чем на порядок уменьшить связь В В за счет обратного рассеяния и область захвата их частот. В-третьих, как показали проведенные исслсдова-
4
иия, для стабилизации режима вынужденной СМ целесообразно применять амплитудную акустооптическую СМ 133-36, 39-58, 61-64, 68, 127], (в отличие, например, от фазовой электрооптической [11, 12, 35-37]), поскольку она позволяет использовать для стабилизации режима СМ дифрагировавшие в акустооптичсском синхронизаторе мод (АОСМ) лучи. Гак, использование ТКЛ в режимах акустооптической СМ позволяет создать обратную связь (ОС) по дифрагировавшему лучу, что существенно улучшает характеристики АОСМ на стоячей и бегущей ультразвуковых (УЗ) волнах, стабилизирует параметры УКИ, расширяет полосу СМ [61-68, 127], а также позволяет управлять АЧХ ТКЛ за счет изменения величины и знака невзаимных амплитудных и фазовых акустооптических эффектов [92].
В-четвертых, актуальность исследования ТКЛ в режимах СМ обусловлена возможностью минимизации взаимодействия ВВ через АС, негативно сказывающейся на стабильности двунаправленной генерации и режима биений. Дело в том, что одним из основных факторов, определяющих динамику генерации и АЧХ ТКЛ на кристалле УАС.тХсГ", отличительной особенностью которого является однородный характер линии усиления и медленность релаксации инверсной населенности по сравнению со скоростью установления поля в резонаторе и поляризации АС, является нелинейное взаимодействие ВВ в АС ТКЛ [69 - 78, 90, 186]. Так, в режимах свободной двунаправленной генерации в области перекрытия ВВ в АС за счет интерференции наводятся инерционные, а в случае неравенства оптических частот ВВ движущиеся периодические решетки инверсной населенности, на которых происходит самодифракция ВВ. Пространственная неоднородность снятия инверсной населенности этих динамических решеток приводит к сильной конкуренция ВВ и генерируемых мод в ТКЛ, что сказывается на стабильности режима биений - двунаправленной генерации ВВ с разными оптическими частотами. В результате в режиме двунаправленной свободной генерации увеличение частотной невзаимности кольцевого резонатора (разницы между
5
собственными частотами кольцевого резонатора для ВВ), возникающее, например, из-за вращения ТКЛ, приводит к подавлению ВВ в одном из направлений и неустойчивости двунаправленной генерации в режиме биений [27, 79-90].
Вместе с тем при переходе от режима свободной генерации к режиму СМ при двунаправленной генерации в ТКЛ имеется возможность устранить пространственную неоднородность снятия инверсной населенности в АС. Так, за счет пространственно-временного разделения встречных УКИ в АС, реализуемого при расположении АОСМ в резонаторе ТКЛ на расстоянии Ь/4 от центра АС (Ь - периметр кольцевого резонатора, встречные УКИ встречаются в АОСМ в моменты минимума потерь), снятие инверсной населенности становится однородным.
И, наконец, в-пягых, режим СМ позволяет эффективно использовать перспективный метод устранения конкуренции ВВ в ТКЛ па УАО:М3+ и стабилизации режима биений, использующий нелинейное взаимодействие встречных УКИ в АС, - метод волн автоподсвегки (ВА) [93-118, 188, 189]. Суть метода ВА заключается в возвращении (инжекции) обратно в резонатор ТКЛ под малым углом к его оси части выходного излучения - ВА, что позволяет создавать в АС в области перекрытия ВВ и ВА дополнительные решетки инверсной населенности. Взаимная дифракция ВВ и ВА на ими же наведенных решетках в принципе может обеспечить больший коэффициент усиления для волны меньшей интенсивности и привести к стабилизации режима биений. Однако в режимах свободной генерации должны использоваться две ВА, и в цепях ОС должны располагаться певзаимные амплитудные элементы.
В этой связи очень важен поиск оптимальных способов реализации метода ВА именно в режимах СМ. Дело в том, что вопреки ожидаемой, па первый взгляд, стабилизации двунаправленной генерации во вращающемся ТКЛ в режимах СМ, при пространственно-временной развязке встречных УКИ в АС и уменьшении стабилизирующего влияния связи ВВ за счет
6
обратного рассеяния, конкурентное подавление одной из ВВ во вращающемся ТКЛ по сравнению с режимами свободной генерации обычно увеличивается [13, 14, 27]. Как нами было показано, такая особенность динамики ТКЛ в режимах СМ может быть обусловлена не только эффектом Саньяка при вращении ТКЛ, но также невзаимными амплитудными и фазовыми аку-стооптическими эффектами в АОСМ при временных сдвигах встречных УКИ от минимума потерь на периоде модуляции [91, 92]. Таким образом, задача
л |
по управлению взаимодействием встречных УКИ в ТКЛ на УАС.Ыс! актуальна как с точки зрения разработки специальных методов по устранению конкуренции встречных УКИ и стабилизации режима биений с целью регистрации малых оптических невзаимностей, так и исследования физики нелинейного невзаимиого взаимодействия встречных УКИ не только в АС ТКЛ, но и в других средах, в первую очередь, в средах светозвукопроволов АОСМ и акустооптических модуля горой (АОМ).
Вместе с тем следует отметить, чго, несмотря на перспективность использования ТКЛ на УА0:№1’' в режимах акустооптической СМ, исследование взаимодействия встречных УКИ в такой сложной нелинейной системе, какой является ТКЛ, является весьма непростой задачей. Как показали экспериментальные исследования, на взаимодействие встречных УКИ в режимах акустооптической СМ оказывают влияние целый ряд причин, в частности: связь встречных УКИ за счет обратного рассеяния на внутрирезонаторных элементах, параметры накачки, частота модуляции потерь, положение АОСМ в резонаторе ТКЛ и т.д. Задача еще более усложняется при учете влияния таких факторов, как: наведение динамических инерционных решеток инверсной населенности в АС, которые являются одной из причин нелинейной динамики не только ТКЛ, но и линейных лазеров и допускают существование целого ряда периодических, квазипсриодических и хаотических режимов генерации [27, 69, 88, 90, 109, 118, 119, 120, 125-144, 182-186], в том числе весьма нетривиальных режимов пространственно-временного гистере-
7
зиса и аномально длительной памяти [145-148]. Кроме того на взаимодействие встречных УКИ в ТКЛ оказывают влияние различного рода дифракционные акустооптические ОС и элементы, обладающие для встречных УКИ фазовой, амплитудной и поляризационной невзаимностями [4, 92, 101, 149-181].
Существенно, что до настоящего времени такие акустооптические невзаимности изучались исключительно при дифракции ВВ на бегущей УЗ волне. Амплитудные и фазовые характеристики брэгговских акустооптиче-ских модуляторов на стоячей УЗ волне при различных углах падения света, длинах акустооптического взаимодействия и т.д. оставались невыясненными. Кроме того специальных исследований относительно влияния акустооптического взаимодействия на параметры встречных УКИ, учитывавших различную геометрию акустооптического взаимодействия световых ВВ и ’’идеальной” стоячей УЗ волны, не имеющей бегущей компоненты, также не проводилось. Вместе с тем, как нами было теоретически установлено, амплитудные и фазовые акустооптические невзаимности, имеют место в АОСМ не только на бегущих, но и на стоячих УЗ волнах [58]. В частности было показано, что при использовании АОСМ на стоячей УЗ волне в режиме дифракции Брэгга при отсутствии фазового синхронизма параметры УКИ могут существенно меняться, что должно отразиться на параметрах генерации ТКЛ. Так теоретический анализ показал, что в результате акустооптического взаимодействия со стоячей УЗ волной в АОСМ встречные УКИ приобретают невзаимную нелинейную, меняющую знак по профилю, частотную модуляцию (чирп), величина которой зависит как от временных сдвигов между прохождением УКИ АОСМ и минимумом потерь, так и от отстройки угла падения света на АОСМ от угла Брэгга. При этом чирп УКИ, проходящих через АОСМ в минус первом прядке дифракции, особенно значителен, а АОСМ помимо своей основной функции - модуляции потерь, исполняет роль невзаимного амплитудного и фазового элемента, вызывающего, кроме того,
8
еще и невзаимную частотную модуляцию. Как нами было показано [116, 189], эффект сильного чирпа УКИ в минус нервом прядке дифракции при использовании АОСМ на стоячей УЗ волне можно использовать для стабилизации режима биений во вращающемся ТКЛ на УАС:М3+ с сильной конкуренцией встречных УКИ при создании УКИ автоподсветки из луча минус первого порядка дифракции, стабилизирующего двунаправленную генерацию за счёт самодифракции основных УКИ и УКИ автоподсветки на наведённых в АС решётках инверсной населённости. Вместе с тем детальная проработка ЧХ вращающегося ТКЛ требует учета того, что при дифракции Брэгга в реальных АОСМ на стоячей УЗ волне имеют место как фазовая, так и амплитудная невзаимности, обусловленные “паразитной” бегущей компонентой УЗ волны [92]. Указанное обстоятельство с необходимостью требует комплексного учета всех иевзаимпых эффектов, имеющих место при акусто-оптическом взаимодействии встречных УКИ как с бегущими, так и со стоячими УЗ волнами. Добавим к сказанному, что при создании ОС по дифрагировавшем лучу характер этих невзаимностей в зависимости от параметров ОС может существенно меняться [921.
Актуальность проведенных в настоящей диссертационной работе экспериментальных и теоретических исследований обусловлена, кроме вышеизложенного, еще и тем, что существующий к настоящему времени классический подход, описывающий взаимодействие встречных УКИ в ТКЛ в режиме амплитудной СМ, сформулирован без учета частотной модуляции УКИ в АОСМ, когда функция АОСМ сводится только к модуляции потерь в резонаторе и связи встречных УКИ через обратное рассеяние на торцах [40|. Таким образом, учет невзаимного чирпирования, амплитудных и фазовых невзаимностей, вносимых АОСМ на стоячей УЗ волне в ТКЛ, необходим, что существенно дополняет задачу по изучению взаимодействия встречных УКИ в АС ТКЛ в режимах акусгооптической СМ.
9
Нель работы
Цель настоящей работы состояла, во-первых, в исследовании до настоящего времени неизвестных физических закономерностей и эффектов нелинейного взаимодействия встречных УКИ как в кристаллической АС ТКЛ с однородно-уширенной линией усиления и медленной релаксацией инверсной населённости, так и в аморфных средах светозвукопроводов ДОСМ при взаимодействии со стоячими и бегущими УЗ волнами; во-вторых, с поиском эффективных методов устранения сильной конкуренции встречных УКИ и стабилизации двунаправленной генерации с разными частотами 13ГЗ во вращающихся ТКЛ, работающих в режимах акустооптической СМ, с целыо регистрации с помощью ТКЛ скоростей вращения относительно ииерциалыюй системы отсчёта.
Научная новизна.
Впервые предложено и экспериментально реализовано сочетание в ТКЛ в режимах акустооптической СМ с одной стороны, оптико-физических схем квази- и антирезонансных акустооптичсских ОС, а с другой стороны, метода ВА, позволяющих, при использовании амплитудных и фазовых невзаимных акустооптичсских эффектов в АОСМ на стоячих и бегущих УЗ волнах, эффективно управлять конкурентным взаимодействием встречных УКИ и динамикой генерации вращающихся ТКЛ.
Обнаружены и исследованы новые необычные конкурентные эффекты встречных УКИ во вращающемся ТКЛ в режимах нестационарной СМ, а также в асимметричных схемах ТКЛ с ВА: а) в ТКЛ с антирезонансной акустооптической ОС, при которой резонатор ТКЛ имеет вид “восьмерки”, с осью резонатора, самопересекающейся в АОСМ, и б) в ТКЛ с одной ВА без дифракционной акустооптической ОС.
Впервые проведены легальные экспериментальные исследования ЧХ вращающихся ТКЛ на УАС:ЫсР с ВА и квазирезонанспой как стационарной, так и нестационарной акустооптической ОС, т.е. зависимости разности
10
оптических частот ВВ (частоты биений) от разности частот кольцевого резонатора для ВВ П, при устранении конкуренции ВВ.
Впервые теоретически исследованы певзаимные акустооптические эффекты, возникающие при брэгговской дифракции встречных УКИ на стоячей УЗ волне, при этом исследованы возможности управления амплитудой и фазой световых волн в нулевом и минус первом порядках дифракции в АОМ.
Практическая ценность.
0 Предложенные и разработанные в диссертационной работе эффективные методы управления взаимодействием встречных УКИ и динамикой генерации ТКЛ с ВА в режимах акустооптической СМ при использовании различных видов акустооптических ОС существенно расширяют возможности применения ТКЛ для генерации мощных высокостабильных УКИ в целях измерения невзаимных оптических эффектов в лазерной гироскопии и гирометрии.
Предложен и экспериментально реализован метод: устранения паразитной акустооптической невзаимности, возникающей при взаимодействии встречных УКИ в условиях дифракции Брэгга, а также способ устранения возможности образования системы связанных оптических резонаторов в ТКЛ, при создании только одной ВА, а также создания ВА с псевдообращением волнового фрон та и при использовании специальных отражателей.
Исследованные особенности акустооптичсского взаимодействия в АОСМ на бегущих и стоячих УЗ волнах и связанные с этим оптические невзаимности, позволяют управлять фазовой и амплитудной невзаимностью встречных УКИ в ТКЛ за счёт изменения временных сдвигов между прохождением УКИ АОСМ и минимумом потерь на периоде модуляции, а также отстройки от угла Брэгга.
Новизна и практическая ценность этих методов подтверждается четырьмя Авторскими свидетельствами СССР.
11
Положения, выносимые на защиту
1. ВА, создаваемая квазирезоиансной акустооптической ОС при возвращении на АОСМ дифрагировавшего в нём луча большей интенсивности, позволяет стабилизировать режим биений - двунаправленную генерацию с разными частотами ВВ во вращающемся ТКЛ с однородно-уширенной линией усиления и медленной релаксацией инверсной населённости АС (лазер типа В), работающем в режиме акустооптической СМ, при создании в такой несимметричной схеме ТКЛ начальной амплитудной невзаимности для ВВ за счёт отклонения АОСМ от угла дифракции Брэгга.
2. Две В А, создаваемые антирезонансной акустооптической обратной связью в кольцевых резонаторах типа “восьмерки” и АОСМ, помещенным в области пересечения оси кольцевого резонатора, позволяют стабилизировать режим биений в симметричной схеме вращающегося ТКЛ при отсутствии компенсирующей амплитудной невзаимности за счёт отклонения АОСМ от угла Брэгга, и наличии автокомпенсации акустооптических невзаимностей за счёт симметричной геометрии акустооптичсского взаимодействия, практически полном устранении дифракционных потерь и резком возрастании эффективности акустооптической ОС н ВА, обусловленных тем, что УКИ автоподсветки остаются в резонаторе ТКЛ и усиливаются в АС.
3. При брэгговской дифракции встречных УКИ на стоячей УЗ волне имеют место амплитудные и фазовые акустооптические невзаимности, обусловленные экспериментально обнаруженным эффектом разных временных сдвигов между временами прохождениями встречными УКИ АОСМ и минимумом дифракционных потерь на периоде модуляции, возникающих как при создания разности оптических частот ВВ во вращающемся ТКЛ, так и при отстройке частоты модуляции потерь от межмодовой частоты.
4. При дифракции Брэгга на стоячей УЗ волне при условии отсутствия фазового синхронизма акустооптического взаимодействия у встречных УКИ
12
- Київ+380960830922