Стр.
4
16
17
27
33
50
51
51
60
64
72
78
79
- 2 -
СОДЕРЖАНИЕ
Изменение энергетических характеристик газового лазера при индуцировании анизотропии в активной среде магнитным полем
Зависимость энергетических характеристик излучения газового лазера от угла мевду нацравлени-ями поперечного магнитного поля и максимального пропускания поляризатора
Конкуренция встречных в олії в кольцевом лазере с анизотропным резонатором и активной средой в продольном магнитном поле
Бистабильность и гистерезис в кольцевом газовом лазере с конкурирующими встречными волнами
Энергетические, спектральные и временные характеристики лазеров на растворах сложных органических соединений с анизотропными активными средами
Расчет характеристик излучения на растворах сложных органических соединений с накачкой линейно поляризованным излучением
2.1.1. Ме тодика расче та-:
2.1.2. Результаты расчета ■
Экспериментальное исследование характеристик лазеров с конденсированными активными средами, обладающими линейной анизотропией, индуцируемой излучением накачки
Изменение характеристик лазера на красителе при наложении на активную среду постоянного электри-ческого поля
Управление частотными характерне тиками лазеров с помощью фазовой анизотропии в поглощающих или усиливающих средах
Перестройка спектра излучения и подавление поперечных мод в газовом лазере с активной средой в поперечном магнитном поле
§ 3.2. § 3.3.
§ 3.4. Глава
§ 4.1. § 4.2.
§ 4.3.
3 А К ЛИТ
- 3 - Стр.
Селекция частот и однонаправленная генерация в кольцевом газовом лазере, получаемые резонансным фазово-поляризационным методом 88
Сужение и привязка спектра генерации кольцевых лазеров на растворах сложных органических соединении к выбранных/1 линиям поглощения веществ 99
3.3.1. Расчет потерь кольцевого резонатора, создаваемых резонансным фазово-паляриза-ционным методом 102
3.3.2. Экспериментальные исследования сужения и привязки спектра генерации 112
Возможности управления спектром генерации лазеров при индуцировании в активной среде фазовой анизотропии внешним электромагнитных/! полем 123
'У. Измерение оптических констант активных сред и парах,1етров лазеров в режиме генерации при использовании резонансных фазово-поляризационных методов 132
Фазово-поляризационный метод оцределения потерь лазерного резонатора в режиме генерации 132
Возможности измерения спектроскопических констант и параметров кольцевого лазере при использовании конкуренции встречных волн 140
Оценка величины и определение направления осей фазовой анизотропии, индуцируемой линейно поляризованным излучением накачки в активной среде лазера на сложных органических соединениях 144
I Ю Ч Е Н И Е 148
С Р А Т У Р А 152
- 4 -
ВВЕДЕНИЕ
Одним из основных вопросов квантовой электроники является разработка методов управления параметрами генерации. Это определяет актуальность исследования цроцессов, происходящих в лазерах, поскольку знание таких цроцессов позволяет разрабатывать способы управления характеристиками генерируемого излучения.
Анизотропия активной или поглощающей среды лазера может оказывать существенное влияние на все параметры генерируемого излучения. Дисперсия такой анизотропии положена в основу резонансных фазово-поляризационных методов управления спектром излучения лазеров
пии, индуцируемой внешним полем в активной или поглощающей среде лазера, на параметры генерации. В качестве внешнего поля может использоваться магнитное, электрическое, или электромагнитное поле. Причины возникновения анизотропии в средах различного агрегатного состояния при воздействии на них внешнего поля могут различаться. Однако физические процессы, определяющие изменение характеристик излучения лазера вследствие анизотропии активной или поглощающей среды, в принципе не зависят от агрегатного состояния вещества, используемого в качестве таких сред. Поэтому выводы, полученные в результате исследований одного типа лазера, могут быть во многих случаях перенесены и на лазеры другого типа (с учетом, конечно, специфики различных лазеров). Для выяснения степени справедливости этого заключения в настоящей работе исследуются как газовые лазеры, так и лазеры на растворах сложных органических соединений.
Для индуцирования анизотропии в атомной газоразрядной среде целесообразно использовать магнитное поле. В работе [2] изучено влияние продольного магнитного поля в активной среде на ха-
. Поэтому представляет интерес изучение влияния анизотро-
- 5 -
рактеристики гелий-неонового лазера. Последующие эксперименталь-
основном, понимание свойств лазеров с активной средой в продельном магнитном поле. Наложение магнитного паяя на активную среду газоразрядного лазера приводит к эффектам двоякого рода. Во-первых, магнитное поле изменяет параметры плазмы газового разряда. Во-вторых, возникающие в магнитном поле явления Зеемана, Фарадея, Коттона-Мутона приводят к различным магнитооптическим эффектам в газовых лазерах. Некоторые из них достаточно хорошо изучены. Например, теоретически [б] и экспериментально [9,10] изучался поворот плоскости поляризации генерируемого излучения при расщеплениях зеемановских (Г - компонент контура усиления меньше и порядка однородной ширины контура в лазерах с малой величиной линейной амплитудной анизотропии резонатора. Показано, что этот поворот, обусловленный наличием усиления и предшествующий возникновению генерации двух ортогонально поляризованных ваян, может достигать больших величин (десятки градусов) и изменять знак при постоянных частотах генерации и направлении магнитного паяя.
Исследована и объяснена также зависимость мощности генерации от напряженности продольного магнитного поля в активной среде (при расщеплениях порядка доплеровской ширины) [іІ-І5^ . В [^,/6--18] изучено влияние резонансного фарадеевского вращения плоскости поляризации, обусловленного наличием усиления, на мощность генерации, что позволило разработать резонансные фазово-поляризационные методы управления спектром генерируемого излучения [4,18-- 22 3 . В работе [і] указано также и на возможность использования линейной фазовой анизотропии, индуцируемой в активной среде лазера, для управления спектром генерируемого излучения. Экспериментально в гелий-неоновом лазере с длиной волны излучения
ные
и теоретические
исследования обеспечили, в
- 6 -
0,63 мкм получено значительное сужение к центру контура усиления •спектра генерации при индуцировании анизотропии поперечным магнитным паяем [и] . Однако возможности использования линейной анизотропии для уцравления спектром генерируемого излучения не исчерпываются сужением области генерации. Представляет также интерес получение частотной перестройки области генерации и изучение возможности дискриминации поперечных мод. Невыясненным оставалось влияние линейной анизотропии и вообще поперечного магнитного поля на мощность генерации газового лазера при различных взаимных ориентациях напряженности магнитного паля и главных направлений поляризатора.
Линейная анизотропия индуцируется также в лазерах с конденсированными активными средами, например, в лазерах на сложных органических соединениях при использовании линейно поляризованного излучения накачки. Одной из первых работ, положившей начало широким исследованиям в этом направлении, является работа [23] , где степень поляризации вынужденного излучения лазеров на основе растворов сложных органических соединении связывается с дихроизмом
усиления активной среды. Активные среды на основе сложных органических соединений в отсутствие накачки характеризуются, как правило, изотропным ориентационным распределением молекул, являющимся следствием их броуновских вращательных движений. В случае поляризованной оптической накачки вследствие ориентационной анизотропии распределения возбужденных частиц активная среда лазера может обладать наведеннш дихроизмом усиления [24} . Величина дихроизма усиления зависит от интенсивности накачки: с ростом накачки степень дихроизма коэффициента усиления убывает от предельного значения, равного 0,5, до нуля. В работах [25,26^ изучался дихроизм просветления растворов сложных органических соединений при
- 7 -
их возбуждении импульсом поляризованного лазерного излучения на-носекундной и пикосекундной длительности.
В активней среде лазера на сложных органических соединениях поглощение, как и усиление, также обладает наведенным дихроизмом. Это приводит к зависимости степени наведенного дихроизма усиления лазера от частоты усиливаемого света, причем эта зависимость особенно существенна в области перекрытия спектров усиления и поглощения [27,28} . Результаты экспериментального исследования зависимости степени поляризации излучения лазеров на основе растворов сложных органических соединений от условий возбуждения изложены в работах [23,24,27-29] . Степень поляризации этого излучения существенно зависит от угла между электрическим вектором возбуждающего света и осью резонатора.
Сильное влияние на степень поляризации излучения лазеров на основе сложных органических соединений оказывает вязкость растворителя [ЗО-ЗЗ] . При уменьшении вязкости раствора степень поляризации излучения начинает монотонно падать, что связано с уменьшением времени релаксации пространственной ориентации молекул.
Воцросы нестационарной теории лазеров на сложных органических соединениях в изотропном цриближении рассмотрены в ряде работ (см.напр., [34] ). В работах [35,3б] эта теория распространена на случай анизотропного возбуждения. В них учтена как анизотропия возбуждающего и генерируемого излучения, так и наведенная амплитудная анизотропия активной среды. Влияние дихроизма коэффициента усиления на поворот плоскости поляризации усиливаемой и генерируемой волн исследовалось в [37,38] .
Наряду с дихроизмом коэффициента усиления в активной среде лазера на растворах органических соединений поляризованным излучением накачки индуцируется также и фазовая анизотропия. Измерения [39,40] амплитудной (дихроизма) и фазовой (двулучепреломле-
- 8 -
ния) анизотропии, индуцируемой линейно поляризованным излучением в растворах сложных органических соединений показали, что она может достигать значительных величин. Влияние дихроизма коэффициента усиления на характеристики генерируемого излучения, как следует из вышеизложенного, достаточно хорошо изучено и теоретически и экспериментально. Результаты же исследовании влияния фазовой анизотропии, индуцируемой в активной среде лазера излучением накачки и связанной с дихроизмом соотношениями Крамерса-Кронига, противоречивы и не всегда достоверны. Действительно, в [^отмечалось, что двулучепреломление активней среды лазера на растворах органических соединений приводит к асимметрии периодической структуры в спектре генерации, обусловленной анизотропией резонатора. В [37} указывалось, что фазовая анизотропия в растворе красителя с большим дихроизмом усиления не влияет на характеристики усиливаемой волны. В [41^ утверждалось, что фазовая анизотропия активной среды не может приводить к немонотонности зависимости мощности генерации от угла между направлениями поляризации накачки и максимального пропускания поляризатора, помещенного в резонатор лазера на сложных органических соединениях. Вопрос о проявлен™ этой анизотропии во временных характеристиках и ее зависимости от длины волны в литературе вообще на ставшіся. Имеется только одна работа [41^ , где предпринята попытка теоретического рассмотрения изменения энергетических характеристик лазера на сложных органических соединениях при учете фазовой анизотропии,индуцируемой в активной среде излучением накачки. При этом используются результаты работы [42] по зависимости населенностей основного и возбужденное состояний красителя от интенсивности возбуждающего излучения и угла мезду вектором электрического поля возбуждающего излучения и осью молекулы, однако эти результаты справедливы лишь для малых населенностей возбужденного состояния. Недостаток работы [4і] зашло-
- 9 -
чается также в том, что в ней рассматривается влияние индуцируемой накачкой фазовой анизотропии только на порог генерации.
Указанные недостатки и противоречия в исследованиях, посвященных фазовой анизотропии, индуцируемой поляризованным излучением накачки в активной среде лазера на растворах органических соединений, требуют более детального изучения влияния такой анизотропии на характеристики генерируемого излучения. С практической точки зрения это позволяет оптимизировать характеристики лазеров на сложных органических соединениях с амплитудно анизотропным резонатором и линейно поляризованной накачкой. Необходимо также разработать метод учета фазовой анизотропии при расчете лазера на сложных органических соединениях с помощью балансных уравнений.
В лазерах на растворах сложных органических соединений линейную фазовую анизотропию можно также создавать с помощью электрического поля. Влияние электрического поля, наложенного на раствор кумарина, на поляризацию проходящего через эту усиливающую среду лазерного излучения, рассмотрено в [43] . Как показано, основную роль в изменении характеристик излучения играла анизотропия растворителя, обладающего большим коэффициентом Керра. Имеется только одна работа [44] , где исследуются спектральные характеристики
лазера на растворах органических соединений с активной средой в электрическом поле и спектрально неселективным резонатором, а также относительные интенсивности поперечных мод такого лазера, когда одно из зеркал заменено дифракционной решеткой. В этой работе не приводится доказательных объяснений наблюдаемых экспериментально изменений модового состава генерируемого излучения. Не указаны также некоторые условия эксперимента, которым авторы, по-видимому,
не придали значения, например, поляризация излучения накачки, которая важна в такого рода экспериментах, поскольку, как указано выше, излучение накачки может наводить анизотропию в активней среде.
- 10 -
В соответствии с этим представляет интерес экспериментальное исследование влияния электрического поля на характеристики излучения лазеров с конденсированными активными средами.
В работе [183 сделан вывод, что резонансный фазово-поляризационный метод позволяет получить селекцию частот и однонаправленную генерацию с помощью единых для обеих задач средств и устройств. В [4бЗ сообщалось об экспериментальном наблюдении подавления генерации в одном из направлений распространения луча в гелий-неоновом кольцевом лазере при селекции частот фазово-поляризационным методом. Для выяснения возможностей использования подобных лазеров в спектроскопии и для точных измерений требуется проведение исследования их характеристик. Актуальность таких исследований определяется также возможностью применения такого метода для создания кольцевых лазеров бегущей волны с узким спектром излучения и конденсированными активными средами, которые более эффективны энергетически, чем линейные, поскольку в них отсутствует пространственная неоднородность насыщения среды (46,47] Целью диссертационной работы является исследование влияния анизотропии, индуцируемой в активной или поглощающей среде лазера внешним полем, на характеристики генерируемого излучения, а также разработка на основе результатов таких исследований методов управления спектром генерации и измерения параметров лазеров. Материал диссертации изложен в четырех главах и заключении.
В первой главе приведены результаты исследования влияния линейной анизотропии, индуцируемой поперечным магнитным полем, на мощность генерации гелий-неонового лазера. Изучен также поворот плоскости поляризации генерируемого излучения такого лазера с активной средой в продольном магнитном поле. Исследована конкуренция встречных волн кольцевого лазера с селективными потерями, создаваемыми резонансным фазово-поляризационным методом, а также
- II -
интерпретированы нелинейные особенности в зависимости мощности генерируемого излучения от напряженности магнитного поля.
Во второй главе рассчитывается и экспериментально исследуется влияние линейной анизотропии, индуцируемой в активных средах импульсных лазеров на органических соединениях и на Р% - центрах линейно поляризованным излучением накачки, на энергетические, спектральные и временные характеристики генерируемого излучения. Изложены результаты экспериментального исследования влияния анизотропии, индуцируемой в активней среде лазера на органических соединениях внешним электрическим полем, на характеристики генерации.
В третьей главе рассматривается влияние линейной анизотропии, индуцируемой поперечным магнитным полем в активной среде газового лазера, на спектральные характеристики генерируемого излучения.
На основании полученных результатов предложены методы подавления поперечных мод, сужения спектра генерации и перестройки частоты генерации в обе стороны от центра контура. Изложены результаты по селекции частот и получению режима бегущей волны в кольцевом газовом лазере резонансным фазово-поляризационным способом. Исследованы сужение и привязка спектра генерации кольцевого лазера на органических соединениях к линиям поглощения. Рассматривается возможность управления спектром генерации лазеров при индуцировании в активной среде анизотропии внешним электромагнитным пелем.
В четвертой главе излагается предложенный способ определения потерь лазера в режиме генерации по повороту плоскости поляризации генерируемого излучения. Обсуждены возможности использования нелинейных особенностей в зависимости мощности излучения от магнитного поля, возникающие при конкуренции встречных волн в кольцевом лазере, для определения оптических констант сред. Приводятся результаты измерения направления и величины фазовой анизотро-
-12-
ти, наводимой в активней среде лазера на растворах органических
соединений излучением накачки.
То новое, что внесено в исследуемой вопрос в результате выполнения данной работы, кратко можно сформулировать следующим образом.
Выяснено влияние поперечного магнитного поля на энергетические характеристики излучения газового лазера при различных взаимных ориентациях напряженности магнитного поля и главных направлений поляризатора. Показано, что зависимость мощности генерации от угла между напряженностью поперечного магнитного поля и направлением максимального пропускания поляризатора имеет минимум. Минимум смещается в сторону меньших значений этого угла с ростом напряженности магнитного поля. Увеличение коэффициента усиления приводит к росту значения угла, при котором получается минимум. Линейная фазовая анизотропия, индуцируемая в активней среде магнитным полем смещает минимум в область менышх углов.
Установлено, что индуцируемая в активней среде газового лазера линейная анизотропия, влияние которой максимально цри утле между напряженностью поперечного магнитного поля и направлением максимального пропускания поляризатора, равном 45°, приводит к сильней дискриминации поперечных мод, а также может быть использована для сужения и перестройки спектра генерации в цределах контура усиления.
Исследованы селекция частот и конкуренция встречных волн,получаемые в кольцевом гелий-неоновом лазере резонансным фазово-поляризационным методом. Достигнуто полное подавление генерации в одном из направлений распространения луча с одновременным сужением спектра генерации вплоть до одной частоты в противоположном направлении распространения.
- ІЗ -
Обнаружено и исследовано явление бистабильности и гистерезиса при получении режима бегущей волны в кольцевом газовом лазере.
Теоретически и экспериментально изучено влияние линейной фазовой анизотропии, индуцируемой поляризованным излучением накачки в лазерах с конденсированными активными средами, на характеристики генерируемого излучения. Показано, что при определенных превышениях накачки над пороговой фазовая анизотропия приводит к немонотонности в зависимости энергии генерации от угла между направлениями поляризации излучения накачки и наибольшего пропускания поляризатора, расположенного в резонаторе лазера, а также к деформации спектра генерации и к изменению временных характеристик излучения.
Исследован фазово-поляризационный метод управления спектром генерации в кольцевом лазере на органических соединениях. Получено сужение спектра генерации и его привязка как к центру выбранной атомной линии поглощения, так и к частотам, отстроенным от центра контура линии поглощения.
Показано, что наложение постоянного электрического поля на активную среду лазера на органических соединениях с амплитудно анизотропным резонатором приводит к уменьшению энергии генерации и к изменению спектральных характеристик генерации.
Предложен и осуществлен способ определения потерь лазера в режиме генерации по повороту плоскости поляризации генерируемого излучения, возникающем вследствие наложения на активную среду продельного магнитного поля.
На защиту выносятся следующие положения:
I. В лазерах с конденсированными активными средами, обладающими линейной анизотропией, индуцируемой поляризованным излучением накачки, при определенных превышениях накачки над пороговой
фазовая анизотропия определяет немонотонность в зависимости энергии генерации от угла между направлениями поляризации излучения накачки и наибольшего пропускания поляризатора, расположенного в резонаторе лазера, а также деформацию спектра генерируемого излучения и изменение временной кинетики генерации, в результате чего импульс генерации становится более плоским, длительность его увеличивается, а максимум достигается в более поздний момент времени относительно начала импульса.
2. В газовых лазерах линейная анизотропия, индуцируемая в усиливающей среде поперечным магнитным полем, приводит к сильной дискриминации поперечных мод и к наличию минимума в зависимости энергии излучения от угла между направлениями максимального пропускания поляризатора и магнитного поля.
3. Угол поворота плоскости поляризации излучения на центральной частоте лоренцевского контура усиления за один проход в активней среде лазера, помещенной в продольное магнитное поле, в стационарном режиме генерации пропорционален коэффициенту потерь лазерного резонатора, что позволяет при известных характеристиках лазерного перехода находить потери резонатора в режиме генерации.
4. При наложении на активную среду лазера на красителе с амплитуды о анизотропным резонатором постоянного электрического поля происходит изменение энергетических и спектральных характеристик генерируемого излучения под действием индуцируемой этим полем анизотропии красителя.
5. В кольцевал лазере с селективными потерши, создаваемыми резонансным фазово-поляризационным методом в газовой среде с неоднородно уширенным контуром усиления или поглощения, в результате конкуренции встречных волн возникают нелинейные резонансы в зависимости мощности излучения, распространяющегося в одном из
- Київ+380960830922