Лазеры с длинным резонатором тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.21 ВАК РФ
Работа выполнена в Институте общей физики им. А.М. Прохорова РАН.
Научный руководитель доктор физико-математических наук
Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук
Ю.К. Данилейко кандидат физико-математических наук М.В. Горбунков
Ведущая организация: Научно-исследовательский институт ядерной физики МГУ им. М.В. Ломоносова.
Защита состоится 2004 г. в час ^^ мин.
на заседании Диссертационного совета Д 002.063.03 в Институте общей физики РАН по адресу: 117942, Москва, ул. Вавилова, д. 38.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИОФ РАН. Автореферат разослан 2004 г.
Ученый секретарь Диссертационного совета кандидат физико-математических наук
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Практика применения коротких (0.1-5 не) импульсов (КИ) света для решения задач нелинейной оптики и спектроскопии, диагностики плазмы, изучения кинетики сверхбыстрых процессов в химии и биологии предъявляет высокие требования к параметрам генерируемых КИ, стабильности и воспроизводимости их энергетических, временных и спектральных характеристик. Для изучения нестационарных объектов и явлений часто требуется надежная временная синхронизация лазеров, генерирующих КИ, с исследуемыми процессами и с другими приборами. Широкое использование таких лазеров в различных областях науки и техники предопределяет необходимость создания источников КИ с управляемыми параметрами излучения, которые позволяют адаптировать параметры КИ к условиям конкретного эксперимента, повысив его эффективность и информационную емкость. Например, при синхронизации мод временной интервал между световыми импульсами равен времени полного обхода резонатора. В этом случае образуется один световой импульс, который распространяется в резонаторе туда и обратно. Вследствие этого излучение в некоторой точке представляет собой цуг импульсов с интервалами между ними, равными времени полного обхода резонатора. Увеличивая длину резонатора в лазерах, можно регулировать расстояние между отдельными импульсами в цуге.
С другой стороны, в некоторых случаях требуется исследование процесса с большой длительностью и с хорошим (
1 не) временным разрешением. Длинный цуг импульсов находит применение в экспериментах по синхронной накачке и зондированию, в микротехнологии и медицине. Такой цуг можно получить с помощью непрерывного лазера с синхронизаций мод, а также в импульсных лазерах с отрицательной обратной связью.
Преимущество импульсных лазеров состоит в возможности получения высокой интенсивности отдельных импульсов генерации. Как показывает анализ [1], многим из этих требований удовлетворяет метод активной синхронизации мод
большой (-50-100 м) оптической
РОС. НАЦИОНАЛЬНАЯ БИБЛИОТЕКА С-Посрбург 200 7РК
длины. Использование совместно с АСМ пассивных насыщающихся фильтров (активно-пассивная синхронизация мод (АПСМ)) и отрицательной обратной связи делает получение лазерного излучения с заранее заданными параметрами достаточно контролируемым процессом.
Исследование различных методов генерации длинных цугов коротких импульсов лазерного излучения важно как с практической, так и с научной точек зрения. Реализация этого режима в резонаторах с большой оптической длиной может также помочь в понимании ряда вопросов, касающихся АСМ, АПСМ и влияния на них отрицательной обратной связи.
Целью настоящей диссертационной работы являлось: 1.Создание твердотельного лазера, излучение которого имеет следующие временные параметры: цуг импульсов света общей длительностью около 100 мкс, длительность отдельного импульса 1-5 не, период их следования 0.5-1 мкс.
2. Исследование временных параметров лазера с длинным резонатором, что включало в себя экспериментальное изучение динамики развития активной синхронизации мод и процесса сокращения длительности пичков генерации при активно-пассивной синхронизации мод.
3. Исследование динамики генерации такого лазера с длинным резонатором и с отрицательной обратной связью.
Научная новизна работы:
1. Экспериментально реализован режим активной синхронизации мод в лазере с длинным резонатором, когда управление осуществляется электрическим сигналом, длительность которого значительно короче времени обхода излучением резонатора. В результате получены цуги коротких (2-5 не) импульсов с периодом следования около 0.5 мкс и общей длительностью цуга до 100 мкс. Осуществлен режим активной синхронизации мод в лазере с длинным резонатором при помощи модулятора на регулярных доменных структурах.
2. Экспериментально исследована зависимость длительности отдельного импульса от его положения в цуге в лазере с длинным резонатором при активной и активно-пассивной синхронизации мод и при наличии отрицательной обратной связи.
3. С помощью созданного лазера с длинным резонатором, работающего в режиме активной синхронизации мод при наличии отрицательной обратной связи, получена теневая фотография лазерного пробоя в жидкости.
Научная и практическая значимость работы.
В работе продемонстрировано:
1. Возможность создания твердотельного лазера с длинным цугом коротких импульсов с определенным периодом их следования, при этом длину цуга и период следования одиночных импульсов в цуге можно регулировать.
2. Созданный лазер применен в качестве подсветки для получения теневой фотографии развития лазерного пробоя в воде. Изображение области пробоя в воде разворачивалось с помощью скоростной камеры СРФ. Малая длительность отдельного пичка позволила зафиксировать как распространение ударной волны в воде, так и процесс расширения и охлопывания парогазового пузырька, получавшегося в результате пробоя жидкости [2].
На защиту выносятся следующие положения.
1. Практическая реализация режима активной синхронизации мод в лазере с длинным резонатором, когда управление осуществляется электрическим сигналом с длительностью, значительно более короткой времени прохода излучением резонатора. Осуществление активной синхронизации мод в лазере с длинным резонатором при помощи модулятора на регулярных доменных структурах.
2. Получение режима отрицательной обратной связи в импульсных твердотельных лазерах с длинным резонатором и активной синхронизацией мод. Получен почти прямоугольный цуг коротких импульсов с общей длительностью около 100 мкс при длительности отдельного импульса 3 не и периодом их следования 435 не.
3. Экспериментально исследована зависимость длительности отдельного импульса от его положения в цуге импульсов лазерного излучения с отрицательной обратной связью и с активно-пассивной синхронизацией мод. Осцилло1раммы импульсов из начала, середины и конца цуга показывают заметное уменьшение длительности отдельного импульса в режиме АПСМ.
4. Получение теневой фотографии пробоя в жидкости с помощью созданного лазера с длинным резонатором и отрицательной обратной связью.
Основные положения и результаты диссертационной работы отражены в публикациях в научных журналах "Квантовая электроника", "Письма в ЖТФ", "Труды ИОФАН", препринтах ИОФАН и докладывались на V Всесоюзной конференции "Оптика лазеров", а также на научных семинарах отдела ВКИВ Института общей физики РАН.
Публикации: По результатам диссертационной работы опубликовано 8 работ (4 статьи, 3 препринта и 1 тезисы доклада), список которых приведен в конце автореферата.
Личный вклад автора: Все результаты, приведенные в диссертационной работе, получены самим автором, либо при его непосредственном участии.
Структура и объем диссертации: Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Объем диссертации составляет 81 страницу машинописного текста, включая 15 рисунков. Список цитированной литературы состоит из 100 наименований.
КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ:
Во введении обоснована актуальность выбранной темы диссертации, сформулирована цель работы, отмечены научная новизна, научная и практическая значимость, приведены защищаемые положения и кратко изложено содержание работы по главам.
В первой главе дан обзор работ по исследованию лазеров с длинными резонаторами [3,4] и обзор литературы по изучению динамики формирования цуга коротких импульсов в зависимости от длины резонатора. В разделе 1 проводится краткий анализ основных режимов генерации твердотельных лазеров. Раздел 2 посвящен методам получения длинного цуга импульсов [5,6,7]. В разделе 3 приведен обзор литературы по теории активной синхронизацией мод, лазера с однородно уширенной линией усиления активной среды [8,9]. Анализируются экспериментальные результаты других авторов по исследованию лазеров с
длинными резонаторами и по генерации длинных цугов, состоящих го коротких импульсов.
Вторая глава посвящена теории устойчивости резонаторов, внутри которых находится оптическая линия задержки (ОЛЗ). В разделе 2.1 рассмотрены вопросы устойчивости резонатора лазера с оптической линией задержки внутри него и дан обзор литературы по этому вопросу. Следуя авторам работы [10,11], в разделе 2.2 проведен расчет области устойчивости резонатора с оптической линией задержки. В результате получено условие устойчивости со$