Динамика генерации и невзаимные оптические эффекты в твердотельных кольцевых лазерах

ОГЛАВЛЕНИЕ стр,
ВВЕДЕНИЕ ............................................................... 5
ГЛАВА I. ПРИНЦИПИАЛЬНЫЕ ОСОБЕННОСТИ ДИНАМИКИ ГЕНЕРАЦИИ ТВЕРДОТЕЛЬНЫХ КОЛЬЦЕВЫХ ЛАЗЕРОВ (ТКЛ) С ОДНОРОДНО-УШИРЕННОЙ ЛИНИЕЙ УСИЛЕНИЯ АКТИВНОЙ СРЕДЫ (АС):
§ 1.1. Влияние свойств АС на динамику генерации КЛ. Лазернофизические параметры твердотельных АС ................................ 12
§ 1.2. Основные предположения и исходные уравнения теории ТКЛ 16
§ 1.3. Механизмы связи встречных волн (ВВ) в ТКЛ, методы ее
уменьшения и стабилизации .................................... 19
§ 1.4. Методы экспериментальных исследований и накачки ТКЛ ........... 22
Выводы к главе I ............................................. 31
ГЛАВА II. РЕЖИМЫ СВОБОДНОЙ ГЕНЕРАЦИИ (СГ) ПОКОЯЩИХСЯ И ВРАЩАЮЩИХСЯ ТКЛ на YAG:Nd3+:
§ 2.1. Режимы стоячей и бегущей волны в одномодовых ТКЛ с однородно-
уширенной линией усиления. Теоретический анализ .............. 32
§ 2.2. Режимы СГ в покоящихся ТКЛ .................................... 36
§ 2.3. Режимы СГ и АЧХ вращающихся ТКЛ ............................... 49
§ 2.4. Невзаимные дифракционные эффекты в ТКЛ с непрерывной и
импульсной накачкой .......................................... 63
§ 2.5. Эффект автостабилизации двунаправленной генерации во вращающемся ТКЛ за счет пространственного саморазделения ВВ ................ 70
Выводы к главе II ............................................ 73
ГЛАВА III. ДИНАМИКА ГЕНЕРАЦИИ ПОКОЯЩИХСЯ И ВРАЩАЮЩИХСЯ ТКЛ НА YAG:Nd3+ В РЕЖИМАХ АКТИВНОЙ СТАЦИОНАРНОЙ СИНХРОНИЗАЦИИ МОД (СМ):
§ 3.1. ТКЛ с фазовой электрооптической СМ ............................ 74
§ 3.2. ТКЛ с амплитудной акустооптической СМ ......................... 78
§ 3.3. АЧХ вращающихся ТКЛ в режимах стационарной СМ ................. 87
§ 3.4. Метод стабилизации амплитудной СМ и управления взаимодействием ВВ с помощью акустооптических обратных связей (ОС).... 90 § 3.5. Методы СМ и управления взаимодействием ВВ с помощью модуляторов на бегущей ультразвуковой волне с акустооптическими ОС. 98
Выводы к главе III .......................................... 102
ГЛАВА 1У. МЕТОДЫ УПРАВЛЕНИЯ ДИНАМИКОЙ ГЕНЕРАЦИИ ТКЛ С ПОМОЩЬЮ НЕРЕЗОНАНСНЫХ ПЕРИОДИЧЕСКИХ ВОЗМУЩЕНИЙ:
§ 4.1. ТКЛ с допплеровски-модулированным инжектируемым сигналом.. 103 § 4.2. Конкурентные эффекты, однонаправленная одномодовая генерация
и кинематическая СМ в ТКЛ с нестационарным резонатором ... 108 § 4.3. Методы устранения конкуренции ВВ и управления АЧХ вращающихся
ТКЛ в режимах акустооптической нестационарной СМ ............ 119
Выводы к главе 1У ........................................... 126
2
ГЛАВА У. МАГНИТООПТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ УПРАВЛЕНИЯ КОНКУРЕНТНЫМ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕМ ВВ И РЕЖИМАМИ ГЕНЕРАЦИИ ТКЛ:
§ 5.1. Влияние магнитооптических эффектов на динамику генерации ТКЛ с перестраиваемыми плоскими и неплоскими кольцевыми
резонаторами .................................................. 127
§ 5.2. Метод стабилизации двунаправленной генерации магнитооптической цепью отрицательной ОС по разности интенсивностей ВВ.. 138 § 5.3. Магнитооптические методы внутрирезонаторной модуляции и стабилизации интенсивностей ВВ. Методы устранения переходных
процессов при коммутации направления излучения ТКЛ ............ 149
Выводы к главе У .............................................. 159
ГЛАВА У1. НЕЛИНЕЙНО-ОПТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ УПРАВЛЕНИЯ КОНКУРЕНТНЫМ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕМ ВВ И ДИНАМИКОЙ ГЕНЕРАЦИИ ТКЛ:
3 +
§ 6.1. Метод управления АЧХ вращающихся ТКЛ на УАСгИб за счет
самодифракции ВВ в инерционном резонансном поглотителе
3+
ненакачанном кристалле УАС:Ис1 ................................ 160
§ 6.2. Метод стабилизации двунаправленной генерации во вращающихся ТКЛ за счет самодифракции ВВ в малоинерционном нелинейном
поглотителе (НП) - кристалле ИР:Р2 ............................ 163
§ 6.3. Метод стабилизации двунаправленной генерации во вращающихся
ТКЛ за счет нелинейных потерь при генерации 2-й гармоники. 170 § 6.4. Метод стабилизации двунаправленной генерации во вращающихся ТКЛ за счет самодифракции ВВ и волн автоподсветки (ВА) на
на наведенных в АС интерференционных решетках ................. 173
Выводы к главе У1 ............................................. 181
ГЛАВА УН. АКУСТООПТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ УПРАВЛЕНИЯ КОНКУРЕНТНЫМ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕМ ВВ И ДИНАМИКОЙ ГЕНЕРАЦИИ ТКЛ:
§ 7.1. Метод управления разностью частот ВВ при коллинеарном взаимодействии световых ВВ с бегущей акустической волной ................. 182
§ 7.2. Амплитудные и фазовые невзаимные акустооптические эффекты при брэгговской дифракции световых ВВ на бегущей ультразвуковой волне ....................................................... 183
§ 7.3. Методы управления невзаимными акустооптическими эффектами
и режимами генерации ТКЛ с помощью акустооптических ОС ... 191
§ 7.4. Метод стабилизации двунаправленной генерации во вращающихся ТКЛ ВА, создаваемыми с помощью квазирезонансной акусто-
оптической ОС ................................................. 193
§ 7.5. Метод управления динамикой генерации ТКЛ ВА, создаваемыми
с помощью антирезонансной акустооптической ОС ................. 196
Выводы к главе УН ............................................. 200
3
ГЛАВА УШ. НЕВЗАИМНЫЕ ОПТИЧЕСКИЕ ЭФФЕКТЫ И ЧХ ВРАЩАЮЩИХСЯ ТКЛ:
§ 8.1. Аномалии в ЧХ вращающихся ТКЛ с инерционным резонансно-
3 +
поглощающим НП - ненаказанным кристаллом УАС:Ыс1 .......... 201
§ 8.2. ЧХ вращающихся ТКЛ с аномально-диспергирующей средой ........... 204
§ 8.3. ЧХ вращающихся ТКЛ в режимах автомодуляции ..................... 206
§ 8.4. ЧХ вращающихся ТКЛ в режимах биений при различных методах
стабилизации двунаправленной генерации ........................ 211
§ 8.5. Светоиндуцированные знакопеременная и постоянная оптические невзаимности и стабилизация режима биений в ТКЛ с нестационарной самодифракцией ВА ........................................... 224
Выводы к главе УШ ............................................. 227
ГЛАВА IX. ПРАКТИЧЕСКИЕ ПРИЛОЖЕНИЯ ТКЛ. МЕТОДЫ СТАБИЛИЗАЦИИ ИНТЕНСИВНОСТИ И ЧАСТОТЫ ИЗЛУЧЕНИЯ ТКЛ:
§ 9.1. Причины нестабильности амплитуды и частоты излучения ТКЛ...229 § 9.2. Методы получения одночастотной генерации в ТКЛ ................. 230
§ 9.3. Высокостабильная однонаправленная одночастотная генерация
3+
в ТКЛ на УАС:Ыс! с монолитными резонаторами и высокоэффективной продольной накачкой АС 1пСаАэР/СаАз-лазером ... 231 § 9.4. Метод управления поляризациями, частотами и связью ВВ в
ТКЛ с монолитными неплоскими кольцевыми резоноторами........... 234
§ 9.5. Методы стабилизации режимов СМ и высокостабильные ТКЛ на 3 +
УАЭ: N с! с СМ и лазерной или светодиодной накачкой ......... 241
Выводы к главе IX ............................................. 247
ГЛАВА X. ПРАКТИЧЕСКИЕ ПРИЛОЖЕНИЯ ТКЛ. ВЫСОКОСТАБИЛЬНЫЕ ТКЛ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ НЕВЗАИМНЫХ ОПТИЧЕСКИХ ЭФФЕКТОВ:
§ 10.1. Причины нестабильности и методы стабилизации частоты автомодуляции. Метод измерения оптической невзаимности в режимах автомодуляции 1-рода с переменной частотной подставкой ... 248
§ 10.2. Режимы автомодуляции в моноблочных и монолитных ТКЛ на 3+
УАСгИй со светодиодной или лазерной накачкой .............. 251
§ 10.3. Причины нестабильности разности частот ВВ и методы ее
стабилизации в режимах СГ и СМ ................................ 258
§ 10.4. Режимы биений при СГ и СМ в высокостабильных ТКЛ на 3 +
УАйтЫс! со светодиодной или лазерной накачкой ......... 260
§ 10.5. Физические типы твердотельных лазерных гирометров ........... 268
Выводы к главе X .............................................. 270
ЗАКЛЮЧЕНИЕ. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ........................... 271
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ .................................................. 274
ПРИЛОЖЕНИЯ ............................................................. 301
Список сокращений (ключевых слов) и основных обозначений ............ 307
4
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность работы. Одним из важнейших разделов современной кван-товой электроники является физика кольцевых лазеров (КЛ), что обусловлено, прежде всего, уникальными возможностями КЛ для измерения невзаимных оптических эффектов и угловых скоростей вращения [1-63], для создания на их основе высокостабильных одночастотных лазеров [64-71] и лазеров, генерирующих мощные ультракороткие импульсы света (УКИ) [72-76]. Наличие такого большого диапазона важных областей применения - лазерная гирометрия и гироскопия, оптические стандарты частоты и генераторы УКИ, а также нетривиальные особенности динамики генерации различных типов КЛ по сравнению с динамикой генерации линейных лазеров (ЛЛ), обьясняют неослабевающий интерес к исследованию КЛ.
Исторически сложилось так, что со времени создания лазеров в начале 60-х годов наиболее интенсивно исследовались газовые КЛ (ГКЛ) [1,7,12-47,64-67,212-220,389,408,419] из-за простоты получения генерации при непрерывной накачке и хорошей стабильности излучения. Однако, поскольку потенциальные возможности КЛ определяются свойствами активной среды (АС), большой интерес представляет исследование КЛ и на других АС, и, в первую очередь, твердотельных КЛ (ТКЛ).
Дело в том, что ТКЛ существенно превосходят ГКЛ по ряду весьма важных параметров, в том числе, по коэффициенту усиления АС, ширине спектра и мощности излучения. В ТКЛ можно получить режим синхронизации мод (СМ) даже при малых периметрах резонатора (1_ ^ 4-0 см). ТКЛ могут иметь различные моноблочные и монолитные конструкции (напр., с несколькими ТКЛ в одном многограннике из АС). В ТКЛ (прежде всего, на кристаллических АС) можно получить низкопороговую (У/п < 100 мВт) генерацию при высокостабильной монохроматической накачке, как продольной, так и поперечной. И, наконец, что также очень важно, ТКЛ не надо вакууммировать.
Однако ТКЛ исследовались и экспериментально [77-110], и теоретически [102-130] много меньше чем ГКЛ, что было обусловлено, прежде всего, сложностью создания и исследования непрерывнодействующих ТКЛ из-за отсутствия эффективных источников накачки ТЛ. Укажем, что автором данной работы защищена первая кандидатская диссертация [137], в которой исследовались ТКЛ с непрерывной накачкой. Таким образом, проведенные ранее исследования не давали ответ на ряд принципиально важных вопросов.
Во-первых, не было ответа даже на самый простой вопрос: какие режимы свободной генерации (СГ) могут существовать в различных типах неп-рерывнонакачи8аемых ТКЛ в зависимости от величины связи и разности ча-
н
Список сокращений (ключевых слов) приведен в конце диссертации.
5
стот встречных волн (ВВ) (напр., в миниатюрных ТКЛ с плоскими и неплоскими кольцевыми резонаторами). В немногочисленных же теоретических работах были получены различные условия существования и устойчивости режимов стоячей и бегущей волн в ТКЛ в режимах СГ, но при этом делался ряд существенных упрошающих предположений, а связь ВВ либо совсем не учитывалась, либо рассматривались лишь частные случаи связи ВВ.
Во-вторых, не было никаких исследований динамики генерации ТКЛ при наличии внутри резонатора ТКЛ нелинейно-оптических элементов, при резонансной и нерезонансной модуляции параметров лазера, при создании поляризационно-частотной или пространственно-временной развязки ВВ.
В-третьих, не было не только исследований, но и даже никаких предложений по разработке методов устранения сильного конкурентного взаимодействия ВВ и генерируемых мод в ТКЛ с однородно-уширенной линией усиления кристаллической АС. Более'того, сложилось ошибочное мнение о принципиальной невозможности использования ТКЛ в гирометрии. Поскольку это мнение разделял, в частности, известный американский специалист в области физики КЛ Ф. Ароновиц, за рубежом, в том числе в США, исследований ТКЛ для целей регистрации невзаимных оптических эффектов практически не проводилось. Зарубежные и почти все отечественные специалисты работали на принципиально ясном направлении исследований - получении в ТКЛ режима высокостабильной однонаправленной одночастотной генерации, реализации которого как раз и способствует сильная конкуренция ВВ и генерируемых мод в ТКЛ с однородно-уширенной линией усиления АС.
Цель работы. Исходя из вышеизложенного, цель работы состояла:
- в разработке и создании различных по физико-техническим характеристикам и назначению типов непрерывнонакачиваемых ТКЛ на оптимальной
3 +
по совокупности свойств твердотельной АС - УА0:Ыс1 , в том числе, ТКЛ с неплоскими, нестационарными, малогабаритными ( 1_ ~ 10 см ) моноблочными и миниатюрными ( 1_ ~ 1 см ) монолитными кольцевыми резонаторами и высокостабильной монохроматической накачкой светодиодами или лазерами;
- в проведении комплекса детальных экспериментальных, а также теоретических исследований динамики генерации ТКЛ с однородно-уширенной линией усиления АС в зависимости от параметров связи ВВ и разности их частот, от параметров резонатора ТКЛ, накачки, внутрирезонаторных нелинейно-оптических сред, резонансных и нерезонансных периодических возмущений, акусто- и магнитооптических цепей обратной связи (ОС);
- в предложении, разработке и исследовании методов управления конкурентным взаимодействием ВВ и генерируемых мод, параметрами излучения ТКЛ, величиной и знаком амплитудной и фазовой невзаимности в ТКЛ и АЧХ вращающихся ТКЛ, как в режимах СГ, так и в режимах СМ;
6
- в анализе физических условий создания и разработке высокостабильных ТКЛ с непрерывной накачкой, работающих в режимах одночастотной генерации или СМ и предназначенных для использования в оптических стандартах частоты, генераторах УКИ, лазерной гирометрии.
Научная новизна. Основные результаты, изложенные в диссертации, получены впервые в мире и имеют приоритетный характер.
Главным результатом работы является развитие нового перспективного научного направления в физике лазеров, заключающегося в предложении и разработке эффективных нелинейно-, акусто- и магнитооптических методов управления конкурентным взаимодействием и АЧХ световых ВВ, режимами генерации и параметрами излучения ТКЛ, позволяющих создавать на основе ТКЛ высокостабильные, самостабилизирующиея лазерные системы. Проведенные исследования открывают, в частности, вопреки существовавшим ранее представлениям, реальные возможности использования ТКЛ для измерения невзаимных оптических эффектов.
В диссертационной работе впервые создан целый ряд различных физико-
3+
технических типов ТКЛ на УАв-.Мс! и проведен комплекс широких экспериментальных, а также численных исследований динамики генерации и невзаимных оптических эффектов в непрерывнодействующих и импульсных ТКЛ.
В процессе исследований обнаружены существенные, качественные отличия динамики генерации ТКЛ от динамики генерации ГКЛ. Установлено, что ТКЛ с однородно-уширенной линией усиления даже в самой простой реализации лазера (АС и кольцевой резонатор) представляет собой сложную многорежимную нелинейную автоколебательную систему, очень чувствительную к условиям взаимодействия ВВ и генерируемых мод.
В диссертационной работе впервые исследованы как “простые" ТКЛ, работающие в режимах СГ, так и ТКЛ, работающие в режимах СМ, имеющие различные внутрирезонаторные нелинейно-оптические элементы, магнито- и акустооптические цепи ОС, неплоские и нестационарные кольцевые резонаторы. При этом обнаружены необычные и нетривиальные эффекты конкурентного взаимодействия ВВ и генерируемых мод, эффекты "памяти“, гистерезиса, процессы длительной ( > 10 с (!) ) смены режимов генерации.
В ТКЛ обнаружены также как весьма интересные с точки зрения нелинейной динамики оптических систем эффекты бистабильности, так и очень важные для приложений эффекты самостабилизации режимов генерации.
Решение физических проблем стабилизации амплитуд ВВ и разности их частот и технической проблемы создания ТКЛ с высокостабильной монохроматической накачкой позволило затем провести в диссертационной работе исследования невзаимных оптических эффектов в ТКЛ. В результате был установлен вид ЧХ вращающихся ТКЛ в различных режимах генерации, при
7
различных методах устранения конкурентного взаимодействия ВВ. В ТКЛ обнаружены и исследованы неизвестные ранее фазовые и амплитудные невзаимные эффекты, возникающие при взаимодействии световых ВВ с различными нелинейно-оптическими средами, при акусто- и магнитооптических взаимодействиях, при самодифракции ВВ и волн автоподсветки (ВА) на наведенных в АС интерференционных решетках инверсной населенности.
Таким образом, новые физические эффекты и закономерности, установленные в диссертационной работе, дают возможность существенно углубить понимание физических процессов, определяющих динамику генерации КЛ.
Практическая ценность. Прежде всего подчеркнем, что в диссертационной работе разработаны и созданы различные типы высокостабильных ТКЛ, работающих в режимах СГ и СМ.
Далее, предложенные и разработанные в диссертационной работе эффективные методы управления взаимодействием ВВ, режимами генерации и параметрами излучения ТКЛ за счет использования различных цепей ОС, нелинейно- , магнито- и акустооптических эффектов существенно расширяют функциональные возможности ТЛ, модуляторов лазерного излучения. В частности, создание различных видов акустооптических ОС у АОМ на стоячей и бегущей УЗ волнах, позволяет не только получать высокостабильные режимы СМ, но и одновременно создавать ВА, стабилизирующие интенсивности ВВ во вращающихся ТКЛ, а также управлять величиной и знаком амплитудных и фазовых невзаимных акустооптических эффектов.
Очень важно также то, что в результате проведенных исследований не только показана принципиальная возможность измерения невзаимных оптических эффектов с помощью ТКЛ, по крайней мере, со средней точностью,
но и созданы первые лабораторные макеты гирометров на основе ТКЛ на 3 +
УАС:Мб , работающих в режимах СГ или СМ и имеющих высокостабильную накачку АС: либо поперечную - светодиодами, либо продольную - лазерами.
Наконец, подчеркнем, что новизна и практическая значимость предложенных в диссертационной работе методов управления параметрами излучения и АЧХ ТКЛ подтверждены 25 Авторскими свидетельствами.
На защиту выносятся:
1. Разработка и создание новых физико-технических типов ТКЛ на
3 +
УАС:Ыс1 с непрерывной накачкой, работающих в режимах СГ и СМ (е том числе, ТКЛ с высокоэффективной высокостабильной монохроматической накачкой полупроводниковыми светодиодами или лазерами; ТКЛ с различными внутрирезонаторными элементами и кольцевыми резонаторами, в частности, неплоскими, моноблочными, монолитными, нестационарными, имеющими вид "восьмерки" с осью резонатора, самопересекающейся в АС или акустоопти-ческом модуляторе (АОМ) под удвоенным углом Брэгга).
8
2. Установление на основе результатов экспериментальных исследований, а также численных расчетов основных закономерностей и физических процессов, определяющих динамику режимов СГ и СМ в покоящихся и вращающихся ТКЛ с однородно-уширенной линией усиления АС при изменении в широких пределах параметров лазера (в том числе, параметров связи ВВ, амплитудной и фазовой невзаимностей кольцевого резонатора, уровня накачки, частоты и амплитуды периодических возмущений параметров ТКЛ).
3. Обнаружение, установление условий реализации и интерпретация нетривиальных режимов генерации, эффектов конкурентного взаимодействия ВВ и генерируемых мод, эффектов оптической бистабильности, гистерезиса, длительной памяти режимов генерации, качественно отличающих ТКЛ от ГКЛ (в их числе, в покоящихся ТКЛ: режимы автомодуляции 11-рода с самопроизвольной квазипериодической сменой направления излучения; в ТКЛ с
нестационарным резонатором: эффекты кинематической СМ и сужения спектра излучения до одной моды: эффекты разного отклика ВВ на возмущения
параметров ТКЛ; во вращающихся ТКЛ: режимы захвата частот ВВ, непереходящие в режим биений ни при каких угловых скоростях вращения; режимы автомодуляции, переходящие в режим захвата при увеличением скорости вращения ТКЛ; многомодовые режимы с пространственным саморазделением ВВ по разным поперечным модам при увеличении скорости вращения ТКЛ).
4. Обнаружение, установление условий реализации и интерпретация аномальных искажений и расщепления на несколько "ветвей'' ЧХ вращающихся ТКЛ как в режимах автомодуляции, так и в режимах биений (в их числе, аномальное, более чем на 2 порядка уменьшение разности частот ВВ по сравнению с разностью частот кольцевого резонатора для ВВ в ТКЛ с инерционной резонансно-поглощающей средой; расщепление спектров частот автомодуляции и биений на компоненты, интервал между которыми пропорционален разности частот кольцевого резонатора, в ТК чип-лазерах и в ТКЛ, работающих в режимах нестационарной акустооптической СМ).
5. Обнаружение, установление условий реализации и интерпретация новых фазовых и амплитудных невзаимных оптических эффектов, реализующихся при взаимодействии ВВ 8 ТКЛ (а их числе, светоиндуцированные знакопеременные и постоянные невзаимные оптические эффекты при динамической самодифракции ВВ и ВА на наведенных в АС решетках инверсной населенности; знакопеременные и постоянные фазовые и амплитудные невзаимные акустооптические эффекты как при коллинеарном взаимодействии световых ВВ с бегущей акустической волной, так и при дифракции Брэгга, причем при наличии акустооптических ОС; невзаимные оптические эффекты в ТКЛ с резонансно-поглощающими и аномально-диспергирующими средами; эффекты разного временного сдвига встречных УКИ относительно минимума потерь
9
на периоде модуляции при изменении разности частот кольцевого резонатора для ВВ).
6. Предложение, разработка и реализация эффективных методов управления параметрами излучения ТКЛ за счет использования различных внут-рирезонаторных нелинейно- , акусто- и магнитооптических эффектов, модуляции параметров ТКЛ, создания положительных и отрицательных цепей ОС по разности и сумме интенсивностей ВВ, по дифрагировавшим в АОМ лучам, по сигналам межмодовых биений, автомодуляции и разности частот ВВ (в числе результатов использования этих методов: получение режимов одночастотной генерации и СМ в ТКЛ с нестационарным резонатором; осуществление быстрой, без переходных процессов на релаксационной частоте, коммутации направления излучения ТКЛ в режимах акустооптической СМ при свипировании частоты ультразвуковой волны; установление нового способа СМ с помощью АОМ на бегущей ультразвуковой волне при использовании акустооптических ОС; получение бистабильных режимов и управление параметрами УКИ в ТКЛ с антирезонансными кольцевыми резонаторами типа "восьмерки" и АОМ в области пересечения оси резонатора).
7. Предложение, разработка и реализация эффективных методов устранения конкуренции ВВ, управления АЧХ вращающихся ТКЛ и установление возможностей и условий использования ТКЛ для измерения невзаимных оптических эффектов как в режимах биений, так и в режимах автомодуляции
(в числе этих методов, основанных на создании больших потерь для ВВ с €
большей интенсивностью, метод генерации 2-й гармоники с созданием 100 % потерь в резонаторе ТКЛ на частоте 2(0 для устранения возникающей фазовой невзаимности ВВ; метод нелинейного поглощения в быстрорелак-сирующих НП при устранении пичковой неустойчивости генерации с помощью взаимной цепи ОС по сумме интенсивностей ВВ; метод создания не взаимных цепей ОС по разности интенсивностей ВВ; метод ВА, особенно эффективный при создании ВА с помощью квазирезонансной акустооптической ОС, когда стабилизация двунаправленной генерации осуществляется лишь одной ВА и не образуется системы связанных оптических резонаторов).
Личный вклад автора. Все изложенные результаты получены автором лично или при его непосредственном руководстве вместе с аспирантами.
Апробация работы. Основные результаты диссертации представлялись и обсуждались на 1У Международной конференции “Лазеры и их применение" (Лейпциг, 1981 г.), на Международной школе-конференции "Лазеры и их применение" (Бухарест, 1982 г.), на Международном симпозиуме "Оптика 84" (Будапешт, 1984 г.), на У Международной конференции "Лазеры и их применение" (Дрезден, 1985 г.), на III Международной конференции "Тенденции квантовой электроники" (Бухарест, 1988 г.), на Международ-
10
ной конференции "Нелинейная динамика оптических систем" (Эфтон, США, 1990 г.), на I Всесоюзной конференции "Проблемы управления параметрами лазерного излучения" (Ташкент, 1978 г.), на X - XII Всесоюзных и ХІУ Международной конференциях по когерентной и нелинейной оптике (Киев, 1980 г,; Ереван, 1982 г.; Москва, 1985 г.; Ленинград, 1991 г.), на II, IУ, У, УІ Всесоюзных конференциях "Оптика лазеров" (Ленинград, 1980 г., 1984 г., 1987 г., 1990 г.), на XII Всесоюзной конференции по акустоэлектронике и квантовой акустике (Саратов, 1983 г.), на X, XIII, ХІУ, ХУ, ХУІ Межотраслевых научно-технических конференциях памяти
Н.Н.Острякова (Ленинград, 1976 г., 1982 г., 1984 г., 1986 г., 1988 г.), на Всесоюзных совещаниях и конференциях по кольцевым лазерам (Ленинград, 1973 г.; Раубичи-Минск, 1974 г.; Москва, 1975 г.), на Всесоюзных конференциях молодых физиков (Ташкент, 1978 г., 1981 г.; Ростов-Ярославский, 1982 г.), на Ломоносовских чтениях в МГУ (1974 г., 1982 г. 1986 г., 1987 г.), на Всесоюзном семинаре "Динамические и флуктуацион-ные процессы в лазерах и лазерных информационных системах" (Москва, 1989 г.), на Всесоюзной конференции "Физика и применение твердотельных лазеров" (Москва, 1990 г.), на УІІ и У111 Международных научно-технических конференциях "Лазеры в науке, технике, медицине" (Сергиев Посад, 1996 г., Пушкинские горы, 1997 г.), на 3-ей Международной конференции по Лазерной физике и спектроскопии (Гродно, 1997 г.), а также на заседаниях Секции новых физических явлений Научного Совета по навигации и автоматическому управлению Академии наук.
Публикации. Основные результаты диссертации изложены в следующих 80 опубликованных работах и 20 Авторских свидетельствах [131-136,142-155, 221-231,233-243,262-273,325-356,447-454]. Общее число работ автора диссертации по исследованию ТКЛ, включая обзорно-аналитические, специальные работы и отчеты по НИР, более 160.
Обьем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 10 глав (44 параграфов), заключения, списка цитируемой литературы, приложений и содержит 187 страниц текста, 140 рисунков на 86 страницах, 454 работы в списке литературы на 27 страницах, приложения из 3-х таблиц и 6-ти рисунkos на 7 страницах (общее число страниц в диссертации - 307).
ГЛАВА I. ПРИНЦИПИАЛЬНЫЕ ОСОБЕННОСТИ ДИНАМИКИ ГЕНЕРАЦИИ ТВЕРДОТЕЛЬНЫХ КОЛЬЦЕВЫХ ЛАЗЕРОВ (ТКЛ) С ОДНОРОДНО-УШИРЕННОЙ ЛИНИЕЙ УСИЛЕНИЯ АКТИВНОЙ СРЕДЫ (АС)
§ 1.1. Влияние свойств АС на динамику генерации КЛ. Лазернофизические параметры твердотельных АС
Принципиальные особенности динамики генерации КЛ можно предсказать,
естественно, лишь в общем виде на основе анализа свойств используемой
АС. Ниже и будут рассмотрены принципиальные различия динамики генера-
3 +
ции ТКЛ на YAG:Nd и He-Ne ГКЛ - наиболее исследованного типа КЛ.
Существенные различия динамики генерации ГКЛ и ТКЛ, в которых при
непрерывной накачке в качестве АС можно использовать в основном крис-3+
таллы YAG:Nd (см. ниже), обуславливаются, во-первых, разным характе-
3+
ром уширения линии усиления АС: однородным - у YAG:Nd с шириной ли-
20 22
нии ДУл - 195 ГГц и неоднородным допплеровски-уширенным - у He-Ne ’ с Д^л Ä 1500 МГц. Однородный характер уширения линии усиления АС в ТКЛ должен приводить к сильной конкуренции ВВ и генерируемых мод, что, очевидно, должно препятствовать получению в ТКЛ стабильного режима двунаправленной генерации, особенно при малой связи ВВ и различии их частот.
В ГКЛ проблема получения стабильной двунаправленной генерации достаточно просто решается при создании сравнительно небольшой ( ^ 10 МГц отстройки частот генерации - частот ВВ V1 2 от центра линии усиления АС V : IV. 0 - VI ^7 7 . /AV , 7 . Ю8 с"1 - ширина линии
О 1 у w О â D /1 â D 2
спонтанного излучения отдельного атома; 7=2 7. 7оК / (7а + 7К)
7 -1 л 8 —1
7 - 10 с , 7. - 10 с - величины, обратно пропорциональные време-
а с
нам жизни на верхнем а и нижнем b уровнях рабочего перехода (см., напр., [16-18]). В этом случае ВВ взаимодействуют не с одной группой атомов АС, движущихся перпендикулярно направлению распространения ВВ, а с разными группами атомов, имеющих разные проекции скорости движения V на ось ГКЛ : (G^ 2 - (i)q) = ± (k1 2 v) , где k1 2 = W1 2/с * При ЭТОМ "провалы'* Беннета на линии усиления, возникающие из-за "выжигания" инверсной населенности ВВ и имеющие ширину 7а^ » н© перекрываются. Другая возможность, позволяющая устранить конкуренцию ВВ в He-Ne
ГКЛ, состоит в создании сложной суммарной линии усиления за счет испо-
20 2 2
льзования АС с двумя изотопами неона: Ne и Ne При добавлении даже нескольких процентов второго изотопа режим двунаправленной генерации в ГКЛ становится устойчивым при любых отстройках КО - 0) I .
I у £ О
Вторым очень важным различием между характеристиками твердотельных и газовых АС является различие в соотношении между временами релакса-
12
ции инверсной населенности Т. - 711, поляризации * Til и поля
t л (Т) 0/Q) ( Т) = (W - W )/ W - превышение пороговой мощности
3+
накачки W ). Так, для ТЛ на YAG:Nd : Т. * 230 мкс » t ^0,5 мкс » п I С
т2 = 1/1Г А1^л ^ 1,6 ПС. В то время как для He-Ne ГЛ: tQ - 0,5 мкс »
Т1 ^100 не » T2ef * 10 нс‘ 8 результате в ГЛ инверсная населенность и поляризация отслеживают изменения поля, и переходные процессы имеют апериодический характеру так как t /Т » 1 . а Г/7 инверсная населенно-
С I
сть изменяется намного медленнее поля и поляризации, и переходные процессы, имеющие колебательный характер ft /Т. « 1), происходят на хара-
с 1/2 ктерной для ТЛ релаксационной частоте (i)r =• 2ТГf г * (C0T)/QT^ ) с
временем затухания переходного процесса t - 2Т1 /(Т) + 1) ~ 300 мкс , существенно превышающим период колебаний 2тГ /0)г ~ 30 мкс [108-110]. Таким образом, характерное для ТЛ соотношение между временами релаксации поляризации, поля и инверсной населенности должно способствовать реализации в ТКЛ нестационарных и хаотических режимов генерации.
Третья очень важная особенность динамики генерации ТКЛ также обусловлена медленностью релаксации инверсной населенности. Из-за интефе-ренции ВВ Е1 2 поле в КЛ периодически изменяется в пространстве (вдоль оси КЛ z) и во времени, если частоты ВВ не равны. При этом в АС ТКЛ наводятся в общем случае движущиеся, периодические структуры (решетки), на которых происходит самодифракция ВВ, которая может сильно влиять на режимы генерации ТКЛ за счет создания нелинейной инерционной связи ВВ N±E2j1, N± = (t/U^N ехр(± i2kz)dz - пространственные гармоники инверсной населенности N(r,t), -С - длина AC, L - периметр КЛ. Укажем, что при больших коэффициентах усиления АС генерация возникает без резонатора: за счет брэгговских отражений на наведенных решетках [56].
Проведем теперь сравнительный анализ свойств различных твердотельны; АС, исходя из современного состояния исследований [253-261,274,275,285 К настоящему времени создано более 300 кристаллических и стеклообразных твердотельных АС, на которых получено стимулированное излучение в
. 4
широком диапазоне длин волн от А — 0,172 мкм (переход 5d =* L. в
3+ И . . 11/^л
LaFgiNd ) до Аи- 5,15 мкм (переход 1\$/2 * l^^/2 В BaF9~LaF3:Nd ) Однако лишь некоторые из этих АС, в первую очередь, кристаллические, с переходами по 4-х уровневой схеме, можно использовать для получения генерации при непрерывной накачке и Т * 300 °К .
Твердотельные АС можно разбить на 4 основные группы по типу активных частиц, находящихся 8 твердотельной матрице: 1) ионы металлов переходных групп с излучательными электронными переходами во внешней
3 +
3d-o6ono4Ke в кристаллах с упорядоченной структурой (напр., Сг ,
3 + 3+
Ti в матрице 3-корунда а12°3 * Сг в алексанДРите ВеА^Од ) ;
1 3
тнл
3+ 2 +
2) редкоземельные ионы Ln или Ln с переходами во внутренней 4f
или 5d - 4f оболочках в различных кристаллах, фосфатных или силикат-
3+
ных стеклах (напр., ионы Nd в более чем в 170 матрицах: в гранатах
Y3AL5012» Y3Sc2Ga3^12 ’ ^cl3Sc2^a3012 ’ Фторидных и оксидных кристаллах LiYF^ , СаР^ , YA^°3 » CaWO^ , CaF^-NdF^ , нелинейно-оптических кристаллах LiNbO^ , Ba2NaNb015 , высококонцентрированных (n > 1021 см""3) кристаллах LiNdP4012 и фосфатных стеклах КНФС, ЛГС , Q-100 (США),
LHG-8 (Япония)); 3) ионы радиоактивных актиноидов Ас3+ с переходами
3+
в Sf-оболочке в кристаллах (напр., U в CaF2 , SrF2 , BaF^ ); 4) центры окраски в кристаллах (напр., F2 и F* центры в LiF).
ТЛ на ионах 2-й и 3-й групп излучают на фиксированных дискретных частотах. В ТЛ на ионах 1-й и 4-й групп возможна перестройка частоты излучения. При этом на кристаллах ВеА1204:Сг (Аи Ä 0,72-0,79 мкм), Gd<3ScoGa«0iO:Cr3+ (Ам * 0,74-0,84 мкм), ScB0o:Cr3+ (А** 0,78-0,89 мкм),
о с. о_] £ И о « , И
SrAlFc:Сг (А, - 0,825-1,01 мкм), Al:Тi (А * 0,7-1,1 мкм) ,
_ о и с о и
LiF2 (Аи * 0,65-1,25 мкм) созданы перестраиваемые лазеры в видимой и ближней ИК-области спектра, работающие при комнатной температуре.
Однако наиболее часто в качестве АС ТЛ используются стекла и следую-
3+ 3 +
щие кристаллы с ионами Nd : иттрий-алюминиевый гранат Y-Alj.0 : Nd
3+ 3+
(сокр. обозначение YAG:Nd или ИАГ:Nd ), гадолиний-скандий-алюминие-
3+ з+ 3+ 3 +
вый гранат Gd3Sc2Al ^0^ 2: Nd :Cr (rcri":Nd :Сг ), иттрий-литий-фтор
YLiF.:Nd3+ (M0<t>:Nd3+), ортоалюминат иттрия YA10 *Nd3+ (0AM:Nd3+).
4 3+ 3
YAG:Nd , синтезированный еще в 1964 г., до сих пор остается лучшей
АС по совокупности лазерно-физических свойств (см. приложения, табл.
№ 1) для создания ТЛ, работающих при непрерывной накачке.
3+
YAG:Nd - изотропный кристалл кубической симметрии, в котором часть
3 +
ионов иттрия ( - 1 ат.%) замещается ионами Nd . Очень важными достоин-
ствами YAG: Nd являются: малые оптические потери (0L ^10 см )
, П ГТ) 1 п ^
большие теплопроводность и температуроводность (ß0 - 0,13 Вт см"" град 2—1
ß_ - 0,13 см с ); высокое усиление (ненасыщенный инкремет усиления ' -1 при непрерывной накачке Ci UAnn - 0,04 -0,1 см , при импульсной
О Н 0 п р
накачке (X - 0,1 * 0,8 см"" ) ; низкие пороги генерации Wn .
о имп п
При оптимальной для непрерывной генерации концентрации ионов неодима в
oi оп —з
YAG:Nd (Y. Nd Alc0<o) (x — 1,2 ат. % , n * 1,65 10* см °) в ТЛ с
о-х х о 1 £
широкополосной накачкой дуговыми Кг, Хе лампами пороговая электрическая мощность накачки W^min ^ 300 Вт в высокодобротных резонаторах с Q ^ 103 и коэффициентами отражения зеркал г ^ 99,9 % . При использовании монохроматической накачки в наиболее сильные полосы поглощения
совпадающие с длинами волн полупроводниковых лазеров (А * 0,806 мкм)
н
или ионных Ai—лазеров (А Ä 0,5145 мкм) пороговая мощность накачки
н
1 4
2
может быть уменьшена более нем в 10 раз (см. гл. IX, X).
3+
Существенным недостатком YAG:Nd является невозможность получения
3+
высокой концентрации активных ионов Nd , что обусловлено, как эффектом концентрационного тушения люминесценции (отметим, что такой эффект
О I А
отсутствует, напр., у ионов Ег для переходов с уровня I1^/2), так и
неравенством радиусов ионов неодима ( - 1,04 10-8 см ) и ионов иттрия
— 8 3+
( - 0,94 10 см ), приводящим к деформации решетки YAG:Nd . К недо-
3+
статкам YAG:Nd относятся и его медленный рост (стержни длиной 150 мм
растут 12-15 суток) и высокая стоимость из-за сложности изготовления и
необходимости использовать дорогую оснастку (в т.ч. иридиевые тигли).
Генерация при непрерывной накачке была получена на ряде других твер-
3 +
дотельных АС, даже на рубине:Сг [254,255,258,259], имеющем 3-х уров-
3+
невую схему генерации, и на некоторых стеклах с Nd [98,254,255,260],
имеющих 4-х уровневую схему, но низкую теплопроводность ( Рл * 0,003 + — 1 — 1
0,01 Вт см град ) и невысокий коэффициент усиления, что, в частности, обусловлено обратно пропорциональной зависимостью коэффициента усиления от ширины линии люминесценции ( ДУ - 100 см для фосфатных и AV^ ^ 200 см для силикатных стекол; для YAG:Nd ЬУп - 6,5 см ). rcrr:Nd3+ (Gd^Sc0Al-О.0:Nd3+), также как и YAG:Nd3+, - оптически
oit 1 g
изотропный кристалл (группы О. ) имеет больший коэффициент усиления
-1
((Ху = N 0 - 0,7 см ). Однако теплопроводность у ГСГГ примерно в 2 раза ниже, чем у YAG. Число каналов излучения - 5, непрерывная генерация осуществляется на Аи = 1,060 мкм, ширина линии люминесценции ^
11,5 см 1, время релаксации инверсной населенносности Т * 275 мкс.
3+ 3+
Двукратно-активированные кристаллы l~crT:Nd :Сг (впрочем, как и 3+ 3 +
YAG:Nd :Сг ) обладают большей эффективностью преобразования широкополосного излучения накачки, чем однократно-активированные. В таких АС ионы Сг3+, имеющие широкие полосы поглощения, эффективно поглощают излучение ламп накачки, переходя в возбужденное состояние, и затем без-
3+
излучательно передают ее на верхний рабочий уровень ионов Nd . В ГСГГ
3 +
за счет ионов Сг удалось повысить КПД почти в 3 раза (до 6 %).
3+ 3+
ОАИ:Nd (YA10 *Nd ) - в настоящее время единственный кристалл,
3+
помимо YAG:Nd , обладающий одновременно высокой теплопроводностью
( Р — 0,11 Вт см-1 град 1 ) , прочностью и низким порогом генерации
— 1 3 +
( ^ 11 см , Т1 - 180 мкс , концентрация ионов Nd ~ 1-3 % , чис-
ло каналов излучения - 21, основная длина волны непрерывной генерации А - 1,0795 мкм ). Однако в отличие от YAG, ОАИ - анизотропный крис-
и 16
талл (группы 02h ). Поэтому при различных вырезах (относительно осей а,Ь,с ) стержней из ОАИ можно получить либо высокое усиление и низкий порог генерации, либо слабое усиление и большую запасенную энергию.
15
Несмотря на такие преимущества ОАИ перед YAG, как возможности полу-
3 +
чения высоких концентраций ионов Nd , изменения коэффициента усиления
за счет изменения ориентации кристалла, низкую стоимость из-за быстро-
3+
го роста и поляризованность излучения, ОАИ:Nd неустойчив в работе и
имеет меньший КПД (как выяснилось, во время роста в ОАИ вносятся при-3+ —
меси F , ОН , резко увеличивающие потери на длине волны излучения).
3+
Гадолиниевый ванадат GdVO^rNd - один ряда из ванадатов, созданных в последнее время, особенно перспективен при использовании монохроматической полупроводниковой накачки (коэффициент поглощения й ^
_ ^ п гпах
70 см в области А - 0,8 мкм). Вплоть до высоких концентраций ионов
3+ 20 3
Nd ( - 1,5 10 см ) время релаксации инверсной населенности почти
не уменьшается ( Т^ — 90 мкс ). При лазерной накачке достигнут дифференциальный КПД ^ 54 % на А^ - 1,06 мкм. Однако ванадат - анизотропный кристалл, кроме того в выращенных пока кристаллах потери на длине вол-
О 1
ны генерации ^ 1-2 % , что намного больше потерь в YAG:Nd
3+
Наконец, укажем, что стекла с Nd , несмотря на их малый коэффициент усиления и низкую теплопроводность, также представляют большой интерес для использования в качестве АС в ТКЛ с непрерывной лазерной накачкой. Неоднородный характер линии усиления у таких АС способствует уменьшению конкуренции ВВ (см. гл. II), а большая ширина линии усиления позволяет получить в режимах СМ УКИ малой длительности (Т ^ 10 пс), что также способствует уменьшению конкуренции ВВ, напр., при создании пространственно-временной развязки встречных УКИ в АС ТКЛ (см. гл. III). Проблему выбора оптимальной АС, естественно, можно решить лишь при
проведении экспериментальных исследований различных типов ТКЛ. к нас-
3+
тоящему времени такие исследования проведены лишь для ТКЛ на YAG:Nd
§ 1.2. Основные предположения и исходные уравнения теории ТКЛ
Наиболее широко используемая полуклассическая теория КЛ строится на основе самосогласованной системы уравнений для матрицы плотности двухуровневых атомов АС и волнового уравнения для электромагнитного поля в резонаторе, рассматриваемого классически [7,15-18]. В случае неподвижных атомов АС эта система уравнений описывает динамику генерации ТКЛ.
Рассмотрим вывод исходных уравнений теории одномодового вращающегося ТКЛ, использованных в первых работах автора данной диссертации [132, 133,135,136,142]. Укажем, что основной вклад в аналитическое исследование ТКЛ в этих работах внесен Е.Г.Ларионцевым и Е.Л.Клочан. Автором диссертации проводилось численное решение исходной системы уравнений ТКЛ (см. (1.18),(1.19)) при произвольных параметрах ТКЛ, что позволило установить ряд нетривиальных особенностей динамики генерации ТКЛ, в
1 6
т.ч. при сильных возмущениях параметров ТКЛ, при переходных процессах.
Запишем уравнения Максвелла во вращающейся системе координат в
линейном приближении по угловой скорости вращения б [3,4] :
в
rôti = - (1/с) di/dt , divt = 4if(р - div?) + (1/с) div[[Ô
В
c-rotâ = 4ir(t + dt/dt) + dt/dt + rotccô хй]х1] - [[6 *3]*d3/dt]/c (1.1)
В в
divÉ = 0, ß = l + 4lT? + i[^[3xg]]f H = ^ + - [?*[б ХЙ]],
CB CB
где Й - радиус вращения данной точки. АС считается немагнитной и учитывается только вектор поляризации ?. Объемная плотность заряда АС р равна нулю, а плотность тока проводимости "j = 0 ? . Электрическая проводимость 0 характеризует затухание поля. Из уравнений
(1.1) для случая поперечного поля (div 1= = 0) следует волновое уравнение для вектора t во вращающейся системе координат:
ô2t/dt2 + 41Г0 dt/dt - c2kt - 2([3 *Й]\7) dt/dt = - 4ir d tjdx2 (1.2)
В
Для точного решения задачи о распределении поля в КЛ к уравнению
(1.2) необходимо добавить граничные условия на зеркалах резонатора. Однако решение уравнений в этом случае оказывается чрезвычайно сложным даже в одномерном приближении. Более простым оказывается метод разложения поля по заданным собственным типам колебаний резонатора.
В одномодовом одномерном случае попе в КЛ представляется в виде:
t(z.t) = i t (ё, ei(Wt - kz) ♦ \ ei(Wt + kz) + K C , (1>3)f
где e - единичный вектор поляризации, 2 " амплитуды ВВ.
Комплексные величины Е1 и Е^ являются функциями времени :
ilf2(t) = Ei>2 exp(i(Pi>2) (1.4)
Зависимостью Е 9 от координаты z можно пренебречь, поскольку
• 1 ^
обычно расстояние L , на котором происходит существенное изменение величин 2 » много больше длины резонатора L :
L * С Q/W* - 3 1010 • 107“8 / 1014 см * 103“4 см » L — 102 см .
Вектор поляризации ? в уравнении (1.2) имеет вид:
? = ? + t (S - 1)/4ff (1.5),
где ? (z.t) , 1(£ - 1 )/41Г - составляющие ?, обусловленные активными и нерезонансными переходами. Вектор t , также как и вектор t , можно записать в виде двух ВВ :
t(2 t ) - Re 2 e P (t) ei(ù)t + kz)
P(z,t) - Re z e pif2{ ’ ( 1 . 6 ) - ( 1 . 8 )
* L
P1,2(t) = P1,2(t) exp(i(^i ,2)f P1,2(t) = U o-f eP(z»t )exp[-i(Wt T kz)]dz
Подставим теперь выражения (1.3),(1.5) в волновое уравнение (1.2), умножим затем обе части (1.2) на exp(-ikz), exp(ikz) и усредним по
1 7
объему резонатора V. В результате получим уравнения для амплитуд ВВ:
+ 5^1.2^ + ^,2*1,2 - »1,2 %.2 V (1.9).
где О - добротность резонатора, (О/о = (4тг/1 )0Х О <*г (1.10),
2 “ собственные частоты резонатора для ВВ, распространяющихся
по (-) или против (+) направления вращения КЛ:
I. _
2, , = ск [1 - (1/2ь) Г(£ - 1) а г + (г1Ш /1_с)] (1.11),
2 = $ [гхс)г]/2 - вектор плошади К/1, т\ 2 ~ комплексные коэффициенты
связи ВВ за счет обратного рассеяния на неоднородностях диэлектрической проницаемости £(г), и проводимости 0(г):
т1,2 = Г о^ [£(г) + 141Г Чг)] ®хр(±21к2) с!г = т1 2ехР(±^1 <1*12)
Амплитуды ВВ поляризации Рл «(О выражаются через недиагональные
(12) ’ элементы РаЬ’ матрицы плотностй двухуровневых атомов АС [17,110]:
*1,0 = по(3ЬаРаЬ ♦ РЬаЗаЬ), Р12 = псе 3 Р<’’2) (1.13),
где по - плотность активных атомов, с1а^ - матричный элемент оператора дипольного момента атома.
Для неподвижных атомов АС система уравнений для элементов матрицы плотности записывается в следующем виде [119] :
= Шо РаЬ + <^аЬ/Ь) N Е - ТаЬ РЬа (1-14),
дн/дх = - (21/Ю(с1аЬРЬа - РаЬ<1Ьа)Е - (М - м^/т, (1.15),
где N = (Ркк - Рао) “ инверсная населенность, Т. - 711 - время релак-
и и а а га
сации инверсной населенности, N /Т - скорость накачки, 7аК ” ширина
Н I 30
однородно-уширенной линии люминесценции, 0)о - частота перехода Ь =* а Решение уравнений (1.12) запишем в виде :
раЬ = Раь’ ехр(’(М1 - кг)] + Р^ехрСНОН + кг)] (1.16), N = N + [Ы ехр[(-12кг) + к.с. ] (1.17),
(12)
ГДе Рок’ » ^ “ медленные по сравнению с оптическими колеба-
а О О 1
ниями функции времени. В (1.17) учитывается пространственно-неоднородное снятие инверсной населенности N в поле ВВ. Члены со второй гармоникой по СО в N не учитываются, из-за малости вклада ~ (0)Т 1 ) 1 - 10 10.
С учетом характерных для ТЛ соотношений между параметрами релаксации ?, "I , N : 7аЬ >:> Ю/О » 7а ^ из уравнений (1.14) - (1.17) сле-
дует дифференциальное уравнение для инверсной населенности :
N = (^н “ N)/Т1 - А N |1|2/ (1 + 1бТ1) (1.18),
2
где А = С сТ. /1Г(0 , 0 = 41Гп 01 (1.1 /2(СО - 0) - 7„к) ~ сечение перехода
о 1 о о аь о аЬ
б = ((0-0) )/7 - отстройка частоты генерации от центра линии усиления
о ар
Теперь из (1.9) получаем уравнения для медленно меняющихся комплексных амплитуд ВВ ^ • при этом 8 (1.7) отбрасываем малые члены
18
д2Е^ 2/д\2 у ^дЕ1 2/дх . Считаем также, что д2 Е1 2/дг2 = 0, 2/д* = О,
т. к. уже говорилось, что Еу 2 почти не зависят от г. В итоге получаем:
df1,2/dt = - 25 *1,2 + 5"1,2? I2f1,2 + 2С (1 - i£)
х [ X N dz Е + J" N е+ i2kz dz £, . ] (1.19),
о 1,2 о 2,1
где Q = Q - Q =8» — в = 81Г — IЙ I соэф [рад/с] (1.20),
A*l X•L
А - длина волны излучения, ф - угол между векторами площади контура КЛ
= § [rxdr]/2 и угловой скорости вращения 3 (О = |3 I = 2tf [^^]).
В 0 0 — В с
Полученные уравнения (1.19) для комплексных амплитуд ВВ Е1 9 и ура-
• »^
внение (1.18) для инверсной населенности N были исходными уравнениями для анализа взаимодействия ВВ в одномодовых ТКЛ в зависимости от коэффициентов связи /77 и разности частот ТКЛ для ВВ Q . При выводе урав-
■ > <-
нений поле не считалось малым и не проводилось разложений по степеням поля. В этом смысле связь ВВ из-за нелинейности АС учитывается точно.
§ 1.3. Механизмы связи ВВ в ТКЛ, методы ее уменьшения и стабилизации
Связь между ВВ в КЛ осуществляется прежде всего через АС, в т. ч. при самодифракции ВВ на наведенных в АС решетках (см. последний член в (1.19)). В ТКЛ с однородно-уширенной линией усиления взаимодействие ВВ в АС приводит к подавлению одной из ВВ, так как оказывается, что волна с большей интенсивностью имеет больший коэффициент усиления (см. гл. II) Другим механизмом связи ВВ, в том числе в АС, является обратное рассеяние в КЛ на неоднородностях £ и С , которое учитывается с помощью феменологических комплексных коэффициентов связи [16,17] :
т1 2 = m1,2 exp i $ 1 ,2) (1.21),
X
где т1 2 = (с/1)/ г12 ” модули коэффициентов связи ВВ, Г1 2 ” коэФ~ фициенты обратного рассеяния по мощности в данную моду, 01 2 ~ Фазы рассеянных волн. Результирующую связь ВВ можно определить при суммировании (с учетом соответствующих набегов фаз) коэффициентов связи всех рассеивающих элементов. Однако, поскольку, к сожалению, при этом большое число параметров фактически неконтролируемо, расчет точного значения результирующих коэффициентов связи практически невозможен.
Исходя из формулы (1.10), коэффициенты связи ВВ за счет обратного рассеяния на неоднородностях 8 и О можно записать в виде:
Кг - Г </£ •?т' ^ • К.г = С </*« е^2 <’.21)
Как следует из (1.21), коэффициенты связи за счет рассеяния на
* ~ в* - 8
неоднородностях £ являются комплексно-сопряженными: т1 = т2 ,
01 = 02 , а коэффициенты связи за счет рассеяния на неоднородностях
19
О антикомплексно-сопряженными: = - пп® , 0 - 0 = ± К .
— £ ^ 1 ь
Используя формулу для /п1 2 , найдем, напр., величину связи ВВ за счет отражений от торцов плоскопараллельной пластинки длиной £ в КЛ с периметром и. Пусть 8 = при 0^2^'С,£ = £2 при £ ^ г ^ 1_, тогда
®1?2 = 1 1Г <еГ е2)(в± 21к^‘ 1)’ '^г' = Г (£1 " V П.22)
Наиболее сильная связь ВВ создается на границах сред, перпендикулярных направлению распространения ВВ. Для уменьшения связи ВВ внутрире-зонаторные элементы должны иметь просветленные или брюстеровские торцы Для увеличения связи ВВ или создания неравных коэффициентов связи ВВ можно использовать, напр., внешние зеркала. Так, если за одним из зеркал резонатора КЛ установлены зеркала обратной связи (ОС) 9,10 , отражающие во ВВ (см.рис. 1), то коэффициенты ОС имеют вид [116]:
1/771,2!ос = т1,2 ос = 2 Г (1 Гос^ Г1 ,2 8 ^1’2 (1.23),
где г1 0 - коэффициенты отражения зеркал ОС, г - коэффициент отра-
I у с. ОС
жения частично отражающего зеркала резонатора КЛ, 01 0 - фазы коэффи-
1 »^
циентов ОС, определяемые расстоянием зеркал ОС до КЛ.
Если в ТКЛ устранены сильные отражения ( ^ 1 %) от торцов АС, то
связь ВВ определяется слабым рассеянием от неоднородностей АС, зеркал,
брюстеровских торцов, а также рассеянием из-за дифракционных эффектов,
обусловленных конечными размерами лазерного луча, зеркал и т.д.
3 +
Неоднородности в АС - УАСгИс! обусловлены целым рядом факторов
3+
[256]: неравномерностью распределения ионов N6 ( - 0,05-0,1 ат. %
вдоль оси стержня для стержней длиной £ - 3-5 см и - 0,03 ат. % по радиусу стержня диаметром б * 5 мм ) ; наличием различных включений, напр., из материала тигля, окиси Мс*2°3 с РазмеРами ~ 25-50 нм, приводящих к рассеянию Рэлея, и размерами * 250 нм, приводящих к рассеянию Рэлея-Ганца; механическими напряжениями, создающими наведенное двулучепреломление и обусловленными несовершенством кристалла, его деформациями при закреплении в осветителе, а также неоднородным нагревом
3 +
и охлаждением АС. Типичные вариации показателя преломления УАСгЫй Дп - (1-3) 10 5, а разница показателей преломления п - п * (1-5) 10 7
О 6
Для твердотельных АС зависимость 6(2,1) можно записать в виде [108,110] : 6(2,1) = 6(0) + £’(г,1) + 1б**(г,1) , где £’’(2,1)
определяется разностью населенностей уровней, между которыми проис-
_ л _ ^
ходит генерация. Для ТЛ обычно I £’I ^ 10 , I £ * * I ^ 10
Для оценки величины связи ВВ из-за рассеяния на неоднородностях АС,
обусловленных рабочими переходами, используем соответствующие коэффи-
циенты связи /пД [17], которые по аналогии с т 0 запишем в виде:
. _ ■>*-
(1) г ъ л + 2 т к 2
генерации и I т
1,2
где 2 = Р1 2 ^Е1 2 ~ поляризуемости АС для ВВ. Для ^тационарной
(Е1 0 = О), как это следует из (1.19), (41Г/1) Г £. пдг * 1/0
-(7-8 ) п
с/01_ ** 10 (с/1_), т.е. коэффициенты связи тл 9 * О.
Интенсивность рассеянного света 1р в кристаллических твердотельных
АС можно описать выражением [106-108]: I = I + 11(Х) , где I /1Л -
^ рот О 1
- 0,3 для X * 1 мкм, 11 » 1/ X . Наличие члена I , не зависящего от
X говорит о рассеянии на частицах размерами сі » X. Частотная зависи-
. . 4
мость 11 (А) * 1/Х указывает на рэлеевское рассеяние на неоднородностях сі « X . Коэффициент интегрального рассеяния для твердотельных АС Рр ^ 10 5 см 1 оказывается много меньше полных потерь на проход вдоль
АС ( Рп - 5 10 3 см-1 для кристалла УА0:Мб3+ длиной £ * 5 см ).
Интенсивность рассеяния Рэлея (б « X , расстояние между рассеивающими частицами э > X) для неполяризованного света, определяемая как поток энергии, отнесенный к телесному углу, зависит от угла ф между направлением падающего луча и линией наблюдения :
9 1Г2Є^ N V2 , (£/£ )2 - 1 ,2
Г1 = Хо Т—Ї- ----------------2-5------- (1 + со!3 ф> (1.25),
1 ° 2 \ Н *■ (£/£0)2 + 2 >
где 1о - интенсивность падающего луча; N - число рассеивающих частиц;
V - объем частицы; Є , £о - диэлектрические проницаемости частицы и среды, в которой она находится; И - расстояние от частицы до точки наблюдения (Л » X). Полагая в (1.25) 1,(0,ф) = 10 (1 + соэ2 0) 0 /Л2 ,
умножим I1(в,ф) на площадь, приходящуюся на элемент телесного угла
і 0 сП 1Г 2 ТГ
О о
2
R sin 0 d9 бф . Затем используем соотношение :
п ьп -
I X 1,(0,Ф) R sin 0 d0 da = Io [1 - exp (- Pp £)) (1.26),
^ O _e _C
ИЗ которого получим, ЧТО D * Рр£ / 6К * 10 (для Рр - 10 см и длины АС £ - 5 см) . Величину обратного рассеяния оценим из формулы Д11 о£ = IQ D (1 + cos2 ф) sin 0 Д0 Дф . Считая ф - 2тг, периметр резонатора L = 100 см , диаметр лазерного луча - 10 1 см ,
Д0 — ^ Дф - 2К 10"3 , получим, что Дк , - I 10 10. Таким образом,
О 0 0 с
модуль связи ВВ из-за рэлеевского рассеяния в АС ТКЛ m (c/L) 10 Существенным обратным рассеянием в КЛ является также рассеяние на диэлектрических и металлических зеркалах, призмах полного внутреннего отражения и брюстеровских торцах [397-399], которое для лучших по ка-
_ g
честву изготовления образцов составляет г& - (2 * 10) 10 по амплитуде или Гр - 4 10 *2 + 1 10 1 ^ по мощности. Подчеркнем, что при рассеянии на зеркалах могут реализовываться различные типы связи ВВ. Так, если неоднородности зеркал обусловлены вариацией коэффициента отражения (неоднородностями £), то связь ВВ комплексно-сопряженная: m, = m2 О, = 62. Если неоднородности зеркал обусловлены шероховатостями повер-
21
хности высотой I") « X (неоднородностями 0), то связь ВВ антикомплек-сно-сопряженная: , 0^ — 0^ = ± ТГ . Укажем также, что при бо-
льшой интенсивности лазерного излучения связь ВВ может стать нелинейной, напр., из-за изменения характеристик диэлектрических зеркал.
Связь ВВ из-за дифракционных эффектов [391-396] также может играть большую роль, при этом модули коэффициентов связи для ВВ могут сильно различаться при несимметричном расположении зеркал, диафрагм и т. д. относительно АС. Отметим также, что дифракционная связь ВВ на зеркалах при вещественных коэффициентах отражения зеркал оказывается антикомп-лексно-сопряженной : /»1д = - л?2д . Оценки показывают [17], что модуль коэффициента связи ВВ по мощности при дифракции на зеркале гр * 10~12.
Связь ВВ осуществляется и за счет неоднородного пространственного распределения потерь в КЛ. Из условия, что в КЛ реализуется режим с минимальными потерями, следует, что положение узлов и пучностей ВВ в АС будет фиксировано. Это может привести к тому, что при малых скоростях вращения КЛ рассеяние на наведенных неоднородностях АС будет достаточно сильным для поддержания режима захвата частот ВВ.
Для управления параметрами связи ВВ помимо указанных выше способов в диссертационной работе использовались также методы уменьшения и стабилизации связи ВВ за счет создания развязки ВВ в АС: пространственно-временной в режимах СМ (см. гл. III) или поляризационно-частотной в режимах СГ (см. гл.У). Эффективный метод стабилизации связи ВВ за счет ее усреднения в ТКЛ с нестационарным резонатором исследован в гл. 1У. Высокоэффективные методы управления взаимодействием ВВ за счет самоди-фракции ВВ и волн автоподсветки в АС ТКЛ, за счет создания различных видов акустооптической ОС рассмотрены в гл. У1,УП,У1П.
§ 1.4. Методы экспериментальных исследований и накачки непрерывнодействующих ТКЛ
Для проведения исследований непрерывнодействующих покоящихся и вра-
3+
щающихся ТКЛ на УА0:Мс1 нами были разработаны и созданы различные экспериментальные установки, позволившие в широких пределах изменять параметры ТКЛ, вводить в резонатор ТКЛ различные магнито- , акусто- и нелинейно-оптические элементы, использовать различные виды накачки АС.
Принципиальные схемы первых созданных нами экспериментальных установок для исследования амплитудных, частотных и спектральных характе-
3 +
ристик ТКЛ на УАб:М<1 , работающих в режимах СГ с непрерывной накачкой АС с помощью дуговых Кг-ламп, показаны на рис. 1-5.
В ходе исследований параметры АС и КР изменялись в широких пределах
3 4*
Так, стержни УДЭгМс! имели диаметр с! - (2-5) мм, длину £ * (20-90) мм
22
Рис. 1. Схема экспериментальной установки для исследования АЧХ вра-
3+
щающегося ТКЛ на УАС:Ыс1 в режимах свободной генерации:
1-4 - зеркала кольцевого резонатора, напыленные на А . *
3 +
- 1,064 мкм или \И2 - 1,318 мкм; 5 - стержень АС (УАС:Ыс1 ) с просветленными или брюстеровскими торцами; 6 - дуговая Кг лампа накачки; 7 - корпус осветителя; 8 - блок поджига и источник постоянного напряжения; 9-10 - зеркала для создания дополнительной связи ВВ; 11-12 - пьезокерамика для колебаний или плавного перемещения зеркал ТКЛ; 13-15 - зеркала смесителя ВВ (15 - полупрозрачное зеркало); 16-18 -ФЭУ; 19 - прерыватель лучей ВВ (вертушка); 20 - частотомер; 21 - спектроанализатор; 22 - многолучевой осциллограф; 23 -НЧ генератор; 24 - скользящий контакт; 25 - частотомер;
26 - сигнальная лампочка; 27 - фотодиод; 28 - юстировочный Не-Ие лазер (А * 0,63 мкм или 1,15 мкм); 30 - массивная ситалловая вращающаяся платформа.
23
Торцы АС могли быть плоскопараллельными, срезанными в непараллельных плоскостях, в т. ч. и под углом Брюстера (ф_ - arctg п - 61°). Коэффи-циенты отражения от торцов АС могли резко различаться (один торец просветлен, другой - непросветлен). КР были плоскими или неплоскими (см. гл. У). Длина КР L изменялась в пределах 1 см ^ L ^ 10 м , при этом для получения больших длин КР использовалась оптическая линия задержки. Устранение границ раздела, перпендикулярных оси резонатора, а также
просветление торцов АС позволяло резко уменьшить связь ВВ. При просве-
3
тлении торцов АС - YAG:Nd (п^- 1,816 для А - 1,064 мкм) за счет нанесения пленки Х/4 из MgF2 (г>2 * 1,38) коэффициент отражения от торца по мощности теоретически уменьшается ОТ гт = С(П1 - П3)/(П1 + п3)]2 -
8,5 % до гу(Х/4) = [(п2 - п1п3)/(п2 + п1п2)]2 * 0,05 % , где п3 * 1
- коэффициент преломления воздуха. Из-за неидеальности напыления реа-
ЭКС
льный коэффициент отражения гт был существенно выше. При напылении пленки MgF« г^кс ^ о,2 % , при напылении пленки из криолита Na^AlF*
41 Т О О
(п2 * 1,33) расчетный коэффициент отражения гт(Х/4) - 0,15 % , а реально получаемый г®кс ^ 0,5 % . Из выражения для г(Х/4) следует, что
для однослойного просветляющего покрытия г(Х/4) = 0, когда п0 = /~ТГГпГ 3+
Для YAG:Nd гт(Х/4) - 0 для просветляющего покрытия с п2 ~ 1>347 .
Отметим, что для полного устранения паразитной селекции мод в ТКЛ с брюстеровскими торцами АС использовались диэлектрические зеркала, напыленные на клиновидные подложки с углом клина ф - 5° (см. рис. 2).
Помимо обычного интерферометра Фабри-Перо (с параметрами : база t = 2 см, область дисперсии D - 0,25 см”1, разрешающая способность А - 0,0015 см**1) использовался специально разработанный и созданный конфокальный сканирующий интерферометр (с t = 2 см, D * 0,25 см 1,
А - 0,002 см ) . Наличие вырождения поперечных мод в таком интерферометре позволило обойтись без линз для согласования волновых фронтов и без развязывающего фильтра (поляриризатор, пластинка Х/4), так как интерферометр можно отклонить от оси резонатора, чтобы убрать обратные отражения, существенно влияющие на динамику генерации КЛ.
_ ^
Для изменения времени регистрации спектров мод (At. ^ 10 с) перед интерферометром Фабри-Перо помещался механический затвор. Наблюдение спектров проводилось с помощью телеобъектива МТО-500 и электроннооптического преобразователя (типа ПНВ-57). Фотографирование спектров (X * 1,064 мкм) проводилось на специальную фотопленку (типа И-1070).
Сигналы межмодовых биений 30 МГц ^ c/L ^ 1000 МГц и УКИ, возникающие в режимах CM (^min ^ 0,1 не) регистрировались с помощью широкополосных фотодиодов типа ФДП, ЛФД (полоса частот Af £ 3 ГГц) .
Вращающиеся платформы, на которые устанавливались ТКЛ, позволяли
24
Рис. 2. Схема экспериментальной установки для исследования спектральных характеристик вращающихся непрерывнонакачиваемых ТКЛ :
1 - стержень АС; 2-4 - зеркала кольцевого резонатора; 5 -возвратное зеркало; 6,7 - поляризатор и пластинка Х/4 для устранения обратных отражений; 8,9 - линзы для согласования волновых фронтов луча лазера и интерферометра; 10 - интерферометр Фабри-Перо; 11- механический прерыватель луча; 12-телеобъектив; 13 - фотоаппарат ООП); 14 - сканирующий интерферометр; 15 - пьезокерамика; 16 - ФЭУ; 17 - осциллограф; 18 - широкополосный фотодиод; 19 - спектроанализатор; 20 -селекторы продольных мод; 21 - диафрагма.
Рис. 3. Схема экспериментальной установки для регистрации АЧХ вращающихся ТКЛ 11 2(й) и :
1 - ТКЛ, установленный на вращающуюся платформу; 2 - ФЭУ;
3 - многолучевой (шлейфовый) осциллограф; 4 - кольцевой реостат; 5 - стабилизированный источник напряжения.
25
проводить измерения до скоростей вращения f ^ 1 об/с , при этом раз-
В
ность частот КР для ВВ IQ/21TI = Q - Q = (8lTS/XL)f ^ 3 МГц
max - + в max
(знак " + *’ обозначает ВВ, распространяющейся по направлению вращения). Проблемы сильноточного питания (Jm_v ^ 40 А) и интенсивного водяного
ГПсх X
охлаждения (J ^ 10 л/мин) ламп накачки во вращающихся ТКЛ, были решены за счет использования специальных гибких проводов и шлангов. В результате ТКЛ имел “запас вращения" в несколько оборотов в одну сторону. Измерение скорости вращения ТКЛ f (постоянной или переменной) и
В
сопоставление ее с частотой биений ^(2) = и интенсивностями
ВВ I±(Q) проводилось несколькими способами.
На рис. 1 показан способ измерения АЧХ вращающегося ТКЛ для дискретных значений f , позволивший получить хорошую точность. Сигнал
В
от НЧ-генератора 23 через контакт 24 (механический скользящий или магнитный типа Геркон) подавался на частотомер 25. Если частота следования импульсов от НЧ-генератора достаточно велика ( ^ 1 кГц), а угол, в пределах которого замыкается контакт, мал ( ^ 1°), то можно считать, что на данном небольшом участке скорость вращения массивной платформы постоянна и равна измеряемой таким образом средней скорости вращения ТКЛ. Во время замыкания контакта производилось фотографирование с экрана осциллографа сигналов I+(f_) и регистрация с частотомера (или
— В
спектроанализатора) сигнала Для этого, как показано на рис.1,
свет от сигнальной лампочки 26 при соответствующем положении вращающейся платформы 30 попадал на фотодиод 27, сигналом которого осуществлялся однократный запуск развертки регистрирующих приборов.
Для получения непрерывных зависимостей I*(f_) , V.(f ) исполь-
— в о в
зовалась схема, показанная на рис. 3 . Низковольтное стабилизированное напряжение подавалось на кольцевой реостат R . Падение напряжения на участке а,Ь реостата пропорционально углу поворота ТКЛ а . Это напряжение U = кОС далее дифференцировалось RC-цепочкой. Таким образом, на регистрирующий прибор наряду с сигналами интенсивностей ВВ
можно было подавать как напряжение U = кОС, пропорциональное углу
поворота ТКЛ 0І, так и напряжение U’= kRC 4^ , пропорциональное f .
ОТ в
Регистрация АЧХ ТКЛ упрощалась при создании разности частот ВВ с помощью невзаимного фарадеевского элемента, что позволяло автоматизировать процессы измерений и обработки информации (см. гл. У, У111, X).
Рассмотрим теперь особенности получения непрерывной генерации в ТКЛ с ламповой накачкой.
3+
Впервые непрерывная генерация в ТКЛ на YAG:Nd была получена в работах автора данной диссертации [131-133] при накачке дуговыми Кг-лампами с водяным охлаждением, и в работе [138] при накачке вольфрамо-
26
вой (V/) лампой накаливания с воздушным охлаждением. Работа с накачкой W-лaмпoй оказалась единственной, по-видимому, из-за двух больших недостатков У/-ламп: 1) малого КПД из-за широкого спектра излучения лампы и
ЭЛ 2
2) ограничения по мощности (1__ - 0,33 кВт/см по удельной электриче-
ГиаХ
ской мощности). В связи с этим рассмотрим особености более удобной накачки с помощью дуговых Кг,Хе-ламп. В этом случае нагрузки на лампу могут достигать 1®^ ^ 1 кВт/см2, а спектр помимо фонового излучения
ГПс1 X
содержит узкие линии, причем спектральный состав излучения накачки можно регулировать подбором газового состава и параметров разряда.
В [131-133] накачка осуществлялась дуговыми Кг-лампами ДКРТВ-3000 (электрическая мощность накачки ^ 3000 Вт, длина разряда
ГПЗ. X
£ - 50 мм, давление газа рор^ “ 6 атм, срок работы - 500 часов) в "тесном", с золотой фольгой (или посеребренном) одно- или двухэллипс-ном осветителе. Конструкция осветителя была такой, что АС и лампы накачки охлаждались дистиллированной водой раздельно, что позволяло существенно снизить влияние возмущений от потока охлаждающей воды (поток воды вдоль лампы накачки - *1 ^ 10 л/мин, вдоль АС - ч! ^ 1 л/мин).
Полагая электрическую энергию, подводимую к дуговой лампе накачки равной 100 % , энергетический баланс в ТЛ можно охарактеризовать следующим относительным распределением [251,252,257]:
- энергия газового разряда (80-90)% , потери в электродах (5-10)% ;
- энергия светового излучения лампы (60-80)% , энергия на нагрев колбы лампы (20-30): (без охлаждения температура колбы Т > 700° С);
ГПаХ
- энергия излучения в спектральной области поглощения АС (10-30)% ,
энергия в области УФ- и ИК-излучения (30-50)% ;
3+
- энергия, поглощаемая АС-Ыс! (5-15)% , потери в осветителе (5-7)% ;
- энергия, запасенная в АС (3-9)% , стоксовы потери (2-7)% ;
- энергия излучения в резонаторе (5-8)% , энергия сверхлюминесценции и остаточной инверсии (1-7)% ;
- энергия излучения лазера (1-5)% , потери в резонаторе (0,5-1,5)% . Таким образом, хотя эффективность преобразования электрической энергии в лампах накачки ^ 80 % , КПД ТЛ с непрерывной накачкой ~ (1-2) % , что обусловлено прежде всего узостью "рабочих" полос поглощения ионов
о »
N01 , находящихся в областях X - 0,52 мкм , 0,58 мкм , 0,75 мкм ,
0,8 мкм , 0,87 мкм (см. приложение, рис. 141). ИК- и УФ-излучение, на
которое приходится до 50 % энергии, необходимо отсекать: ИК-излучение
из-за тепловых потерь, УФ-излучение из-за стимулирования необратимых
3+ 2+
фотохимических процессов в АС, напр., переходов ионов N6 в N(1 В созданных нами осветителях УФ-излучение ламп накачки отсекалось либо трубочкой из стекла ЖС-16, внутри которой помещался стержень из
27
3+
УА0:М<3 , либо 0,2 % раствором К2Сг04 в дистиллированной воде.
До создания серийных блоков накачки ТЛ (типа ЛТН-101, ЛТН-501 ) мы подключали лампы накачки к сети постоянного напряжения и = 110 В, разряд же инициировался блоком поджига (см. рис 4). Коэффициент пульсаций, равный отношению переменной составляющей напряжения к постоянной составляющей, был снижен от ро ^ 10 Ж до р ^ 0,1 Ж с помощью ЦС-фильтра, состоящего из мощного дросселя (I. - 10-2 Гн), включаемого последовательно и батареи электролитических конденсаторов
4
(С - 2 10 мкФ), включаемой параллельно лампе накачки (для двухполу-
периодного выпрямления и однозвенного 1_С-фильтра 1_С - 2,5 р /р).
^ 3 +
Генерация при непрерывной ламповой накачке в ТКЛ на УА6:Ыс1 бы-
ла получена как на основной длине волны Аи1 - 1,064 мкм , так и на Хи2 * 1,318 мкм при использовании диэлектрических многослойных зеркал КР, напыленных на \и1 или Аи2 . Минимальная пороговая мощность накачки в ТКЛ без дополнительных внутрирезонаторных элементов с коэффициентами отражения зеркал г ^ 99,9 ж и высококачественными кристаллами
УА0:№3+ составляла: У/^Л . ^ 400 Вт на А . и У^л . ^ 1000 Вт на А, 0
Н ЛПП И1 н 1ТПП и2
Подчеркнем, что на порог генерации в ТКЛ очень сильно влияют неоднородности, двойное лучепреломление и различные тепловые искажения в АС. Так, из-за неравномерного распределения температуры в стержне АС
(при */эл ^ 1000 Вт и водяном охлаждении разница температур между осью н
стержня и боковой поверхностью Ат ^ 50 С) в АС возникают 3 оптических эффекта: 1) астигматичная линза (с фокусными расстояниями -
* 500-50 см при уровнях накачки W^Л - 1000-3000 Вт); 2) наведенное
3+
двулучепреломление, переводящее кубический кристалл УАС:Мб в одноосный кристалл (причем величина двулучепреломления зависит от радиуса и
обращается в ноль на оси стержня, если она направлена вдоль кристаллографической оси [111] ); 3) фотоупругий эффект, т.е. зависимость по-
казателя преломления п от термических напряжений 0_ [251,252,257].
3+
Так, в некоторых кристаллах УАвгМ наблюдалось сильное увеличение двулучепреломления с ростом мощности накачки, что легко обнаруживалось по расщеплению луча юстировочного Не-Ые лазера, прошедшего через АС. Эти эффекты приводили к сильному росту потерь, как поляризационных, так и "геометрических" из-за незамыкания луча после обхода резонатора.
Наиболее сложно получать генерацию в ТКЛ с ламповой накачкой и АС с брюстеровскими торцами, так как в этом случае трудно обеспечить равномерную накачку и охлаждение АС. Для вывода излучения концы стержня 3 +
УА0:Ис1 приходилось закреплять в боковых стенках осветителя. В результате в АС возникала короткофокусная астигматичная линза: ^ 50 см
даже при мощности накачки - 1 500 Вт близкой к пороговой.
Н
28