ВВЕДШИЕ
ГЛАВА I.
§ І.І.
§ І.І.І.
§ І.І.2.
§ 1.2.
§ 1.3.
§ 1.4. ГЛАВА П.
§ 2.1.
§ 2.2.
§ 2.2.1.
§ 2.2.2.
§ 2.2.3.
§ 2.3.
§ 2.4.
- 2 -
О Г Л А В Л Е II И Е
Стр.
5
ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ПРОСТРАНСТВЕННЫХ, ВРШЕННЫХ И СПЕКТРАЛЬНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ПРИ вынудашых РАССЕЯНИЯХ ( Обзор лите-* ратуры) ............................................
ПРЕ0ЕРА30ВАІЖЕ СПЕКТРАЛЬНЫХ И ПРОС ТРАНС ТВЫШЫХ ХАРАКТЕРНО ТИК СФОКУСИРОВАННЫХ ПУЧКОВ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ при ВКР В ГАЗАХ .....................
Четырёхволновая модель ЧПВ при ВКР в газах...
Экспериментальное исследование комбинационных и параметрических процессов при колебательном ВКР в газах.....................................
Влияние геометрии фокусировки на эффективность ЧПВ в азоте ....................................
О влиянии дисперсии на порог генерации второй стоксовой компоненты ВКР в газах................
Многоцветный источник когерентного излучения на основе ВКР в водороде и дейтерии.............
Нормирование стоксова излучения субнаносе-кундной длительности при ВКР сфокусированного
пучка накачки в метане .........................
Экспериментальное исследование ВКР-усилптеля субнаносекундных импульсов света................
18
18
Вынужденное рассеяние ограниченных пучков...
ВР одномодовых пучков............................
РТ
ВР многомодовых пучков........................... .......
Особенности ВР в нестационарных условиях....
Конкуренция различных видов ВР мегду собой и с другигли нелинейными явлениями.................
Генерация высших компонент ВКР и четырёх -фотонные параметрические взаимодействия..........
26
31
34
і
38
38
51
51
60
64
69
79
Стр.
§2.5. Экспериментальное исследование усиления
стоксова излучения в ВКР-усилителе с пространственно-неоднородной накачкой........ 86
§2.6. Результаты исследования ВКР в газах, полученные в главе П.................................... 91
ГЛАВА. Ш. ФОРМИРОВАНИЕ ИМПУЛЬСОВ ДШТЕШЮСШЗ I нсек
ПРИ ВРМБ В ГАЗАХ............................. 93
§3.1. Обсуждение условий сжатия импульсов при
встречных ВКР и ВРМБ................................ 93
§3.2. Сжатие импульсов при ВРМБ в газах от уровня
спонтанных шумов.................................... 98
§3.2.1. Экспериментальное исследование сжатия им-
пульсов при ВРМБ сфокусированных цучков в газах.............................................. 193
§3.2.2. Оценки влияния геометрии фокусировки и пре-
вышения порога ВРЫБ на длительность стоксовых шшульсов....................................... 108
§3.3. Конкуренция ВРМБ и оптического пробоя в аргоне 122
§3.3.1. Измерение пороговой мощности ВРМБ в аргоне 123
§3.3.2. Экспериментальное исследование конкуренции
ВР1ЛБ и пробоя..................................... ^26
§3.3.3. Расчет порога ВРМБ в условиях конкуренции
с оптическигл пробоемЬ............................. 131
§ 3.4. Преобразование пространственной структуры
световых пучкоз при ВРМБ-компрессии................ 140
§ 3.5. О работе ВРМБ-усилителя с одномодовой п
многомодовой накачкагли в реглпле компрессии шшульсов........................................... 130
§ 3.5.1. Усиление коротких стоксовых импульсов в поле
одиомодового сфокусированного пучка накачки 150
§ 3.5.2. Усиление коротких (Тс Тн) птоксовых импульсов
в ВРМБ-усилителе с пространсткеино-неоднород-ной накачкой....................................... -^6
§3.6. Результаты исследования сжатия импульсов при
ВРМБ в газах, полученные в третьем главе... 160
_ 4 -
Стр.
ПРИЛСЩЕНИЕ. Параметрическая генерацій субнаносекундных импульсов с шириной спектра І04 см-1 и ВКР на полярптонах в кристалле иодата лития 162
ЗАКЛЮЧЕНИЕ....................................................... 174
ЛИТЕРАТУРА....................................................... 177
- 5 -
ВВЕДЕНИЕ
Для исследований во многих областях физической оптики, фотохимии, физики плазмы и т.д. необходимы источники когерентного излучения с субнаносекундной длительностью импульса, перестраиваемой в широком диапазоне длиной волны и расходимостью, близкой к дифракционному пределу.
Одним из путей создания таких источников является разработка лазеров, генерирующих в заданном спектральном диапазоне, в которых формирование угловой направленности излучения осуществляется резонаторными методами /I/, а длительности импульса -с помощью активных или пассивных .световых затворов.
Однако во многих случаях эти задачи могут быть более эффективно решены нелинейно-оптическими методами.
Широкие возможности предоставляет преобразование излучения на квадратичной нелинейности в нецентросимметричных кристаллах - каскадная генерация гармоник и параметрическая генерация /2-6/. Они позволяют не только изменять спектральный состав излучения, но и корректировать его волновой фронт и сокращать длительность импульса /7-10/.
Наряду с вышеуказанными, в настоящее время интенсивно исследуются и находят широкое применение методы преобразования параметров лазерного излучения на основе эффектов вынужденного рассеяния, в частности, вынужденного комбинационного рассеяния (ВКР) /II/ и вынужденного рассеяния Мандельштама-Бриллюэна (ВРМБ) /12/ в жидких, твёрдых и газообразных средах. Причём использование газов в качестве активной среды таких ВР - преобразователей имеет определённые преимущества, поскольку они обладают высокой оптической прочностью и однородностью ,
- 6 -
прозрачны в широком спектральном диапазоне, и в большинстве из них не наступает необратимых изменений при взаимодействии с интенсивным лазерным излучением.
Частота излучения, рассеянного при ВКР в различных газах, может отличаться от частоты возбуждающего (накачки) на величину от нескольких десятков до нескольких тысяч см“*, а его спектр состоять как из одной, так и из нескольких компонент со сдвигом, кратным частоте колебаний или вращений молекул. Поскольку газы прозрачны в широком спектральном диапазоне, а ВКР носит нерезонансный (по частоте накачки) характер, то можно преобразовывать как излучение одной частоты во многих газах, так и излучение различных частот в одном из них.
В настоящее время с помощью ВКР-преобразования перекрыт спектральный диапазон от 0,2 до 20 мкм /13-21/. Если интенсивность накачки достаточно велика, то эффективность преобразования практически не зависит от ширины её спектра и расходимости и может быть близка к 100% /22-25/. Прецезионное изменение частоты монохроматического излучения на величину 0,01 -г 0,2 см возможно с помощью вынужденного рассеяния Манделылтама-Бриллюэна.
Важнейшая особенность эффектов вынужденного рассеяния (ВР), как было продемонстрировано в работах /26-29/, состоит в том, что с их помощью оказывается возможным повышать на несколько порядков яркость излучения.
После появления в 1972 году работы /30/ большое внимание стало уделяться исследованиям по коррекции пространственной структуры лазерного излучения с помощью эффекта обращения волнового фронта /ОВФ/ (см.сборник /31/ и библиографию в нём). Использование явления ОВФ, которое может быть реализовано при ВР, позволяет существенно уменьшить расходимость излучения на
- 7 -
выходе двухлроходовых лазерных усилителей за счет компенсации неоднородностей активной среды /32-34/ и осуществлять еамонаве-дение на удаленные или малоразмерные мишени, например, в экспериментах по лазерному термоядерному синтезу (ЛТС) /35/,
В силу того, что мощность рассеянного излучения экспоненциально зависит от мощности накачки, его импульс может иметь более крутой передний фронт и более высокий контраст по сравнению с импульсом накачки /36-39/. Это обстоятельство позволяет так же с успехом использовать "бриллюэновские зеркала" в качестве развязки в многокаскадных усилительных системах /40/.
При встречных ВКР и ВРМБ /41-48/ может быть на порядок и более увеличена мощность лазерного импульса за счет сжатия его во времени - компрессии. В последнее время использование компрессии импульсов с помощью ВКР в газах рассматривается как основной способ сокращения от 10-100 до I нсек длительности импульсов, генерируемых эксимерными лазерами с накачкой электронным пучком /49/. Поскольку эти лазеры имеют высокий *10% КЦЦ, генерируют в ультрафиолетовом диапазоне Дф/, то в сочетании с эффективными устройствами на основе ВР, формирующими импульсы субнаносекундной длительности и повышающими яркость излучения, они могут стать наиболее перспективными источниками для; ЛТС.
Таким образом эффекты ВР позволяют управлять основными параметрами лазерного излучения (частотой, расходимостью, длительностью) , что и определяет актуальность дальнейшего исследования как самих процессов ВР, так и разработки на их основе конкретных оптических устройств для формирования угловой направленности, спектрального состава, формы и длительности импульсов. При взаимодействии лазерного излучения с веществом, в
- 8 -
частности с газами, могут быть выполнены условия для одновременного или последовательного во времени возбуждения нескольких разновидностей ВР: ВКР вперед и назад, ВКР и ВРМБ, колебательного и вращательного ВКР и т.д. /50-56/. В силу того, что линейная дисперсия в газах невелика, в них, наряду с ВР, достаточно эффективно происходят четырёхфотонные параметрические взаимодействия (ЧПВ), т.е. взаимодействия двух пар волн, частоты которых удовлетворяют условию: 00^-сО^ /57-61/.
Кроме того, с ВР могут конкурировать и другие нелинейные эффекты: оптический пробой, самофокусировка, эффект Штарка и т.п. /62-66/. Конкурирующие процессы ограничивают эффективность ВР-преобразователей и допустимые значения параметров преобразуемого излучения. Они, наряду с нестационарностыо процесса рассеяния, приобретают определяющее значение при ВР сфокусированных пучков лазерного излучения длительностью 'й I нсек
О
(субнаносекундных импульсов) С ВЫСОКОЙ ( £ 10 ВТ) мощностью и малой ( ^ 10 . рад) расходимостью.
Пороги возникновения различных нелинейных процессов и их эффективности по разному зависят от интенсивности, состояния поляризации, формы и длительности импульса накачки, размеров области взаимодействия и макроскопических параметров вещества, в частности, от давления газа. В связи с этим соответствующая оптимизация ВР-преобразователей возможна, причём в ряде случаев -простым изменением геометрии фокусировки.
К моменту постановки данной диссертационной работы (1976г) экспериментальных исследований, посвящённых этим вопросам, было выполнено сравнительно немного, что и определило цель работы:
I) исследование особенностей ВР сфокусированных пучков в нестационарном режиме и в условиях конкуренции с другими
- 9 -
нелинейнооптическими эффектами;
2) разработка и оптимизация ВР-преобразователей для формирования пространственных, временных и спектральных характеристик лазерного излучения субнаносекундной длительности.
Структура диссертации:
Диссертация состоит из введения, трёх глав, приложения и заключения, В первой главе дан обзор литературы, посвящённый обсуждению влияния различных факторов на эффективность ВР-преобразования, расходимость, форму и длительность импульсов рассеянного излучения.
Основная часть диссертации ( главы П и Ш) посвящена исследованию процессов ВР в газах. В приложение вынесены вопросы, связанные с основным материалом общностью цели и посвящённые преобразованию излучения субнаносекундной длительности при ВКР на поляритонах и трёхволновых параметрических процессах в кристаллах ищ и кдр.
Вторая глава посвящена исследованию некоторых особенностей попутного ВКР нано- и субнаносекундных импульсов, приводятся результаты численных расчетов четырёхфотонных параметрических взаимодействий при ВКР, и на их основе формулируются условия, при которых возможно эффективное преобразование только в первую стоксову компоненту или одновременно в несколько компонент рассеяния с примерно равными интенсивностями.
Экспериментально исследовано влияние геометрии фокусировки и дисперсии газов ( азота и метана) на процесс генерации второй стоксовой компоненты (ВСЮ ВКР в сфокусированных пучках. Определены условия, при которых ЧПВ, приводящие к снижению порога ВСК, подавлены, что позволило увеличить эффективность преобразования в первую стоксову компоненту и улучшить её угловую
-10-
направленность. С целью создания мощного трёхцветного источника когерентного излучения проведена оптимизация ВКР-преоб-разователей на колебаниях молекул газообразных водорода и дейтерия. Показано, что максимальные эффективности и абсолютные значения энергии осевой антистоксовой компоненты могут быть получены при давлении газа,близком к I атм.
Далее, приведены результаты .экспериментального исследования нестационарного ВКР в метане при изменении длительности импульсов накачки от ОД до I нсек. Получены зависимости эффективности преобразования и расходимости стоксова излучения от превышения порога ВКР, и измерены длительности стоксовых импульсов.
Последние два параграфа этой главы посвящены экспериментальному исследованию ВКР-усилителей субнаносекундных импульсов с пространственно-однородной и пространственно-неоднородной накачкой. Предложена и исследована оригинальная схема "последовательного" ВКР усилителя с КПД по фотонам ^ 70$. Измерена зависимость расходимости одномодового стоксова пучка, усиливаемого в поле пространственно-неоднородной накачки, от её интенсивности и показано, что вплоть до коэффициента усиления ^ 200 его расходимость близка к дифракционной, а затем экспоненциально увеличивается.
В третьей главе исследованы вопросы, связанные с формированием субнаносекундных импульсов за счёт сжатия с помощью ВШБ в газах импульсов накачки длительностью ^ 20 нсек.
В начале главы обсуждаются условия, необходимые для сжатия импульсов при встречных ВР. Проведено сравнение возможностей компрессии при встречных ВКР и ВШБ и сделан вывод о перспективности использования ВШБ, в особенности ВРМБ в инертных
- II -
газах.
Исследовано влияние геометрии фокусировки, времени затухания гиперзвука и превышения порога ВРМБ на фор?лу и длительность стоксовых импульсов. Показано, что длительность стоксовых импульсов может быть много меньше как длительности импульса накачки, так и времени затухания гиперзвука при эффективности преобразования по энергии, близкой к 100$.
Сформулированы условия, необходимые для осуществления максимального сжатия, т.е. максимального повышения мощности с помощью ВРМБ.
Представлены результаты экспериментального и теоретического исследований конкуренции ВРМБ и оптического пробоя в аргоне, что позволило оценить максимальную мощность стоксовых импульсов, формируемых при ВРМБ-компре с сии в сфокусированных пучках. Измерена зависимость порога ВРМБ от давления аргона в диапазоне 5-20 атм.
Проведено экспериментальное исследование преобразования пространственной структуры пучков в режиме ВРМБ-компрессии,.-т.е. в условиях как локальной, так и волновой нестационарности. Показано, что пучки с крупными фазовыми неоднородностями, например, типа астигматизма, отражаются с обращением волнового фронта, а для пространственно-неоднородных пучков, характерный масштаб модуляции которых существенно меньше их радиуса, ОВФ не происходит из-за селекции высших гармоник пространственного спектра.
В последнем параграфе главы исследованы возможности усиления коротких стоксовых импульсов в ВРМБ-усилителе с одномодовой или многомодовой накачкой. В том и в другом случаях достигнут КПД усилителя 60$ при длительности импульсов стоксовой компоненты и накачки 2-3 и 20 нсек соответственно.
- 12 -
В приложении экспериментально продемонстрирована возможность генерации излучения субнаносекундной длительности с шириной спектра более Ю4 см-'*' при трёхволновых параметрических взаимодействиях в кристаллах иодата лития и КДР. Приведены результаты экспериментального исследования конкуренции ВКР на поля-ритонах и параметрической суперлкшнесценции (ПСЛ) в кристалле иодата лития. Определены ограничения, накладываемые ВКР на эффективность ПСЛ. Предложена и исследована схема из трёх, определенным образом ориентированных, кристаллов, в которой ВКР подавлено, а эффективность ПСЛ увеличена на порядок.
ЗАЩИЩАЕМЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ
1. Конкуренция четырёхфотонных параметрических-взаимодействий приводит к наличию оптимальных условий возбуждения второй стоксовой компоненты ВКР в газах. Реализация этих условий позволяет минимизировать пороговую мощность возбуждения ВСК, а их нарушение,с помощью изменения геометрии фокусировки излучения накачки или дисперсии газа-увеличить в два - три раза эффективности преобразования в осевые первые стоксову и антистоксову компоненты.
2. Сжатие импульсов света во времени на порядок и более-(компрессия) может быть осуществлено при ВРМБ сфокусированных пучков лазерного излучения от уровня спонтанных щумов. При оптимальных значениях энергии и угла фокусировки излучения накачки длительность стоксова импульса в Мп=20*30 раз (М_ - пороговый ишеремент ВРМБ) меньше длительности импульса накачки и может быть существенно меньше времени затухания гиперзвука. В режиме ВРМБ-компрессии происходит обращение волнового фронта сфокусированных пучков накачки с крупномасштабными искажениями типа астигматизма.
- 13 -
3. Реализованные оптические схемы усилителей на основе как попутного, так и встречного ВР, в которых происходит последовательное во времени взаимодействие коротких ( порядка времени релаксации) стоксовых импульсов с более длинным импульсом накачки, обеспечивают высокие ( 50$) эффективности преобразова-
ния при коэффициенте усиления по мощности на один-два порядка.
4. Формирование субнаносекундных импульсов света с шириной спектра более Ю4 см-1 в диапазоне длин волн 0,62-3,5 мкм может быть осуществлено с помощью трёхволновых параметрических процессов в кристалле иодата лития. Ограничения эффективности параметрического преобразования, связанные с неколлинеарным ВКР на наклонных поляритонах, могут быть устранены благодаря использованию преобразователей, состоящих из нескольких, определенным образом ориентированных, кристаллов.
Материалы диссертации изложены на 196 страницах, включают 47 рисунков и 180 библиографически; ссылж.
ГЛАВА I
ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ПРОСТРАНСТВЕННЫХ, ВРЕМЕННЫХ и СПЕКТРАЛЬНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ПРИ ВЫНУЖДЕННЫХ РАССЕЯНИЯХ В ГАЗАХ /Обзор литературы /
Обширнйй раздел нелинейной оптики составляет изучение самосогласованных взаимодействий света с различного рода волновыми возбуждениями в веществе. К ним, в частности, относятся ВКР и ВРМБ, которые были обнаружены в 1961 /II/ и 1964 /12/ годах.
В процессе ВР частота рассеянного света может быть меньше частоты возбуждающего, когда часть энергии фотона накачки идёт на возбуждение оптических или акустических фотонов -
- 14 -
стоксов процесс, или - больше, когда энергия фононов передается излучению - антистоксов процесс. В обычных условиях, когда плотность возбуждений в среде невелика, преобладающим является стоксов процесс.
Частотный сдвиг при ВКР определяется собственной энергией колебаний молекул ( или их вращений для газов при небольших
2 Ч I
давлениях) и для различных веществ составляет сОо" 10-4:10 см . При достаточно больших интенсивностях накачки в рассеянном излучении присутствуют и другие (высшие) стоксовы и антистоксовы компоненты с частотами и)н1тС0о . Для БРШ5 величина 60 0 определяется допплеровским сдвигом при отражении излучения накачки от бегущей гиперзвуковой решетки. При рассеянии на 180°:
Здесь V , с - скорости звука и света в среде, частота
ют первой стоксовой компонентой (ПСК), а с частотой 60^= СО»
+ 00о первой антистоксовой компонентой (АСК).
При классическом рассмотрении ВР света описывается уравнениями Максвелла совместно с уравнением движения для возбуждения в веществе. В приближении плоских волн для медленно меняющихся амплитуд накачки Ан первой стоксовой компоненты Дси фононной О эти уравнения можно записать в виде /67/:
накачки. Рассеянное излучение с частотой оОс= Юн- С0о называ-
(1.1а)
(1.1)
(1.1в)
- 15 -
а.ВД - константы взаимодействия (см.ниже). Т - характерное время релаксации ( Т=Т2 - время поперечной релаксации для ВКР, Т=Тр - время затухания гиперзвука для ВН.ТБ). £ =1 - для попутного рассеяния,£ = -I - для встречного.
Для ВКР константы СЦ В,сЬ можно записать /67/ в виде:
зависимость поляризуемости от нормальной координаты,оОН;
0$( - частоты накачки и ПСК, соответствующие показатели преломления, разность концентраций молекул в основном и возбужденном состояниях. »
4(5 О
В стационарном режиме рассеяния, т.е. когда ^« — , систему (1.1) можно упростить, исключая уравнение (1в), и переписать её для интенсивностей взаимодействующих волн:
(5|г + Ь*1?Кг'3 а’3а)
\(^ + ‘Г£1е)1.= (1*зб)
Здесь ^ - постоянная усиления, обычно измеряемая в /см/Мвт/ Для ВКР: Ъи? дД/ (ЖГ \ С-4)
е1<Л
~ япффъръяняалькое поперечное сечение рассеяния, обычно измеряемое в эксперименте, лей = -ф- - половина ширины линии спонтанного комбинационного рассеяния (СКР) по уровню 0,5.
Уравнение (1.4) написано для лоренцовой линии СКР; для другой формы линии и для частот вне резонанса можно переписать
(1-3)
-16 -
следуюцим образом:
калжг/ф'\
3СШ)* кш*п^~ил) (1-5)
где и) = и)н - и>с - и)о
Ь(со)- форма линии, нормированная на единичную площадь.
Для ВРМБ материальное уравнение ( I. В) получается из уравнений Навье-Стокса ( см. /67/) в предположении, что длительности импульсов накачки и ИСК гораздо больше периода звуковых колебаний (Г5>Т36-^}.Если же ТН.С*ТЗВ , то в уравнение для фснонов должны быть добавлены вторые производные по времени:
+-~=-0^~-гс^ос1Ан'А^ (1.6)
Величина усиления ^ для Мавделъштам-Бриллюэновского рассеяния определяется изменением диэлектрической проницаемости среды при локальных отклонениях плотности вещества р от среднего значенияуОо:
г~Зы,~ АСО-с V ( Ъу>) {1'7}
р
<£ — /? - диэлектрическая проницаемость*
Рассмотрим систему уравнений (1.3). Если предположить, что эффективность рассеяния невелика, т.е. считать интенсивность накачки заданной и постоянной ХИ - и положить для упрощения записи и)И~оЭс> Пн=. /?с = ^, то решение уравнения (36) дает экспоненциальный рост стоксова сигнала как для попутного, так и для встречного рассеяния:
1С сгг) =_4о е*р(м) =1со ехр(<)1о?) (1.8)
Здесь стоксова волна распротсраняется в положительном направлении вдоль оси 2 , Мс 0 - начальный уровень интенсивности
стоксова сигнала* В более общем случае, когда интейшность
накачки не постоянна, а изменяется заданным образом, инкремент ВР Л7 имеет вид:
м = (1#9)
о
Определенная таким образом величина М называется стационарным инкрементом.
Если величина Тс0 - определяется интенсивностью ИСК, подаваемой от внешнего источника, то устройства, в которых происходит её усиление за счёт ВР, называют ВКР- или ВРМБ-усилителями. Впервые режим усиления при ВКР наблюдался в работе /68/. Процесс ВР может происходить и от уровня спонтанных стоксовых шумов, интенсивность которых составляет е-2® и от интенсивности накачки. Таким образом, пороговый инкремент ВР, т.е. такая величина ( где £ - длина взаимодействия), при которой ин-
тенсивность стоксовой компоненты будет составлять заметную часть (например 1%) от накачки, равен М„=2Ъ. Величина Мп была недавно измерена в работе /69/.
Когда ВР происходит в стационарных условиях, из системы
(1.3) можно получить выражения для интенсивности ПСК в нелинейном режиме рассеяния, т.е. когда заметная доля накачки преобразуется в стоксово излучение.
Для попутного ВР /60/
СОсТс
м 7 г /. т (1.10)
Для встречного рассеяния аналогичная зависимость была получена в работе /70/: -
_ Г 1гСо)
- Київ+380960830922