автореферат диссертации по электронике, 05.27.03, диссертация на тему:Особенности формирования дифракционно ограниченного излучения в мощных многоканальных импульсно-периодических лазерных системах на ND: YAG

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ИНСТИТУТ ПРИКЛАДНОЙ ФИЗИКИ

на правах рукописи

Палашов Олег Валентинович

Особенности формирования дифракционно ограниченного излучения в мощных многоканальных импульсно-периодических лазерных системах на ^:УАС.

05.27.03. - квантовая электроника

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научные руководители: к.ф.-м.н. Андреев Н.Ф. к.ф.-м.н. Хазанов Е.А.

Нижний Новгород - 1999

Содержание

Введение...................................................................................................................................3

Глава 1. Исследование и оптимизация основных составляющих узлов импульско-периодической многоканальной лазерной системы на Nd:YAG...................................13

1.1. Принципы построения мощных лазерных систем с суммированием каналов. Требования к основным узлам.............................................................................................................13

1.2. Создание и исследование различных схем задающего генератора с модуляцией добротности и 100%-ной вероятностью генерации одной продольной моды...........................18

1.2.1. Новый способ селекции продольных мод, основанный на модуляции длины резонатора................................................................................................................................18

1.2.2. Новая схема кольцевого задающего генератора на Nd:YAG...........................30

1.3. Исследование особенностей работы ВРМБ-сред в качестве ОВФ-зеркала и фазатора в импульсно-периодическом режиме....................:..,...; ...........................................................37

1.3.1. Влияние поглощения гиперзвука на работу ВРМБ-зеркала в импульсно-периодическом режиме...........................................................................................................37

1.3.2. Особенности фазированного суммирования двух ортогонально поляризованных лазерных пучков с малой энергией................................................................................48

1.4. Формирование импульса в Nd:YAG лазерах с ВРМБ-зеркалами......... ........................56

1.4.1. Исследование искажений формы лазерного импульса в многопроходных усилителях с ВРМБ-зеркалами.....................................................................................................56

1.4.2. Nd:YAG лазер с перестраиваемой длительностью импульса и дифракционной расходимостью........................................................................................................................72

1.5. Исследование работы четырехпроходного двухкаскадного широкоапертурного

Nd:YAG - усилителя в импульсно-периодическом режиме..................................................85

Глава2. Экспериментальное исследование фазированного суммирования лазерных каналов..................................................................................................................................100

2.1. Исследование качества фазировки в двухканальном Nd:YAG лазере. Определение требований к фазируемым пучкам.............................................................................................102

2.2. Черырехканальный импульсно-периодический Nd: YAG лазер с дифракционным качеством выходного излучения............................................................................................/...109

Заключение.........................................................................................................................118

Список литературы...........................................................................».........................120

Введение

Лазер, как источник мощного оптического излучения с дифракционной направленностью стал незаменимым инструментом для различных научных исследований и технологических процессов. Создание таких лазеров является важнейшей и довольно сложной задачей квантовой электроники. На сегодняшний день одними из самых распространенных являются твердотельные лазеры. Исторически первыми появились работающие в разовом режиме лазеры, использующие в качестве активной среды рубин, силикатные и фосфатные стекла допированные ионами неодима. Позднее широкую популярность получил алюмоиттриевый гранат с неодимом - Ыс1:УАО. Этот кристалл по сравнению с другими лазерными активными средами обладает удачным сочетанием физических и спектральных свойств, позволяющих ему успешно работать не только в разовом, но и в импульсно-периодическом и непрерывном режимах. Излучение лазеров на гранате с неодимом находится в ближнем инфракрасном диапазоне спектра. С помощью хорошо известных методов нелинейной оптики основная частота эффективно преобразуется в видимый и ближний ультрафиолетовый диапазон. Эта возможность существенно расширяет области применения Ш:УАО лазеров.

На сегодняшний день лазеры на Ш:УАО широко используются в различных сферах человеческой деятельности, таких как промышленность, медицина, научные исследования и т.д. Дифракционное излучение мощных лазерных систем на Ш:УАО нашло применение в качестве накачки фемтосекундных лазеров на ТкБа [1,2], в лидарах [3,4] - оптических устройствах, используемых при решении экологических проблем (измерение малых примесей в воздухе, скорости ветра,, турбулентности атмосферы). Излучение дифракционного качества используется также для создания источников рентгеновского и гамма излучений и потоков ионов, для голографической интерферометрии, дистанционных измерений и т.д. [5]. В этих приложениях является актуальным сочетание дифракционного качества с высокой мощностью излучения.

Лазеры, имеющие выходное излучение средней мощностью более 100Вт и пиковой мощностью более 100МВт, будем называть лазерами с высокой средней и пиковой мощностью. Создание лазеров с такой мощностью одночастотного дифракционно ограниченного излучения сопряжено с рядом трудностей.

Основной проблемой при получении дифракционной расходимости излучения в твердотельных лазерах являются возникающие в активных элементах (АЭ) усилителей

аберрации - искажения волнового фронта оптического излучения. Для компенсации аберраций довольно часто используют различные виды вынужденного рассеяния (ВР), которые позволяют, при выполнении ряда условий, реализовывать обращение волнового фронта (ОВФ) [6-17]. Эффект ОВФ позволяет обращенному излучению проходить через аберрационные элементы строго в обратном направлении, восстанавливая исходный волновой фронт. Одним из наиболее используемых видов ВР в задачах ОВФ света является ВРМБ - вынужденное рассеяние Мандельштама - Бриллюэна. Это связано со сравнительно высокой константой усиления и, следовательно, низким порогом возбуждения ВР, малым сдвигом частоты, преимущественным рассеянием в обратном направлении и малым временем установления стационарного режима.

Компенсация аберрационных искажений при помощи ВРМБ-зеркала изучена достаточно подробно в лазерах, работающих в разовом режиме или при низких частотах повторения (для Ыс1:УАО не более 1Гц), когда можно пренебречь деполяризацией излучения [6-11,15-17].

Под деполяризованным излучением будем понимать такое излучение, состояние поляризации которого не меняется во времени, но различно в разных точках поперечного сечения пучка [18]. Возникновение эффекта деполяризации в АЭ при высокой средней мощности накачки обусловлено градиентом температуры. Направление наведенных оптических осей и разность показателей преломления обыкновенной и необыкновенной волн различны в различных точках поперечного сечения, что приводит к деполяризации излучения. Подробное описание термооптических свойств АЭ твердотельных лазеров приведено в монографиях [19,20]. Поляризационные искажения в АЭ усилителей приводят к необходимости восстанавливать не только плоский волновой фронт, но и линейную поляризацию излучения. Компенсация аберрационных искажений с помощью ВРМБ-зеркала при высоких частотах, когда деполяризацией пренебрегать нельзя, также подробно исследовались [21-29]. Однако данные исследования ограничивались относительно невысокими значениями пиковой (30-50МВт) и средней (30-40Вт) мощности лазерного излучения.

Уменьшение деполяризации можно осуществить использованием прямоугольных (з1аЬ) АЭ [30,31]. Однако в таких АЭ деполяризация на краях сильнее, чем в цилиндрических, а формируемый пучок имеет прямоугольное сечение. В цилиндрических АЭ с ориентацией [001] также можно уменьшить деполяризацию. В таких АЭ деполяризация существенно зависит от ориентации поляризации излучения относительно кри-

сталлографических осей. Максимальная деполяризация наблюдается при направлении поляризации вдоль кристаллографических осей элемента, минимальная деполяризация -под углом 45° к осям [32].

К моменту начала исследований были известны различные способы компенсации поляризационных искажений. В работе [33] предложен линейный способ компенсации при помощи 90°-ного кварцевого вращателя, расположенного между двух кристаллов. Главным условием эффективной компенсации в данном случае является не только наличие идентичных по оптико-механическим свойствам кристаллов (оптическая неоднородность, концентрация активатора, габариты), но и идентичность условий в которых они находятся (мощность накачки, эффективность охлаждения). При больших тепловых нагрузках указанные выше условия трудно выполнимы, поэтому полного подавления деполяризации достичь не удается [34]. Тем не менее, данный способ часто используется, вместе с другими способами компенсации деполяризации, и в мощных лазерах, поскольку всегда несколько уменьшает деполяризацию, прост и надежен на практике.

Особое место занимают способы компенсации деполяризации методами нелинейной оптики. Впервые теоретическое исследование возможности ОВФ деполяризованного излучения при ВРМБ проведено в работе [35]. Теоретический анализ [35], проведенный в приближении заданной накачки, хорошо согласуется с экспериментальными данными [36,37]. Позднее, авторы работ [38-40] сделали некоторые уточнения этой теории. Однако, в мощных лазерных системах интенсивность излучения перед ВРМБ-средой, как правило, значительно превышает порог ВРМБ, а потому условие заданной накачки не выполняется. Теоретическое исследование ВРМБ деполяризованного излучения в условиях насыщения проведено в работе [41].

Согласно работам [35-41] полное пространственно-поляризационное ОВФ деполяризованного излучения при ВРМБ не имеет места ни в приближении заданной накачки, ни в режиме насыщения. Однако существует множество способов, позволяющих достичь практически полного восстановления первоначальной поляризации. Один из них - использование ячейки Фарадея перед ВРМБ-зеркалом - эффективно восстанавливает линейную поляризацию после двух проходов через АЭ [42-44].

Широкое распространение получили способы восстановления поляризации, основанные на разбиении деполяризованного пучка на два ортогонально поляризованных. Каждый из таких пучков обращается при помощи ВРМБ. Если "создать условия сфази-

рованного ОВФ, при котором фазовосопряженные пучки с точностью до знака сохранят разность фаз, то результирующее поле будет комплексно сопряжено к падающему. Таким образом, сфазированное обращение двух пучков от ВРМБ-среды обеспечивает пространственно-поляризационное ОВФ деполяризованного излучения. Следует отметить, что задача фазировки двух и более пучков при фазовом сопряжении имеет также большое самостоятельное значение для создания многоканальных лазерных систем, см., например, обзоры [41,45].

Абсолютная фаза стоксовой волны зависит от фазы затравочного шумового поля и является, следовательно, случайной от импульса к импульсу. Более того, фаза стоксовой волны может меняться на масштабе самого импульса [46]. Таким образом, для осуществления фазированного ОВФ двух лазерных пучков необходимо обеспечить одинаковую фазу шумов, с которых стартуют стоксовы волны. Для этого в работах [47-49] оба пучка, имеющие одинаковую поляризацию, направляются на фазовую пластинку и затем фокусируются в ВРМБ-среду. Данный способ неоднократно использовался и усовершенствовался [50-63]. Его недостатками являются необходимость юстировки пучков в фокальной перетяжке и возможное появление спеклов в ближней зоне выходного излучения. Следует отметить и другие способы сфазированного ОВФ: использование дополнительной "затравочной" волны для навязывания общей фазы всем обращенным волнам [47,58,61-67]; использование петлевых обращающих зеркал [68-70]. К недостаткам этих способов следует отнести их громоздкость и трудность юстировки.

В работах [71,72] предложен другой способ фазировки пучков, основанный на использовании нового устройства - фазатора. Фазатор позволяет осуществить сфазированное ОВФ двух ортогонально поляризованных пучков и лишен недостатков предыдущих способов. Его работа при больших пиковых мощностях фазируемых пучков была детально исследована в [25,28,41,73-75]. Однако исследования его работы для небольших пиковых мощностей - что особенно важно для лазерных систем с большой частотой повторения - а также возможность его использования для фазирования четырех пучков не проводились.

Следующей проблемой при создании лазеров с высокой средней и пиковой мощностью является влияние лазерного излучения на свойства оптических элементов и, в особенности, на ВРМБ-среды, накопление тепла в которых приводит к различным паразитным эффектам (дефокусировка и самофокусировка, оптический пробой, ВКР, деградация жидких ВРМБ-сред), что уменьшает точность ОВФ. Влияние накопления теп-

ла при таких длительностях импульса, когда эффект дефокусировки сказывается непосредственно на вызвавшем его импульсе, подробно изучен в работах [76-81]. Принципиальные отличия импульско-периодического режима от режима одиночных импульсов связаны с влиянием постепенного накопления импульсных воздействий, каждое из которых в отдельности относительно мало. В работах [41,82] подобное воздействие исследовалось в условиях, когда принципиальным является линейное поглощение света нелинейной средой. С целью уменьшения влияния этого паразитного эффекта были использованы чистые ВРМБ-жидкости с коэффициентом поглощения порядка 10"бсм~' и менее [41]. В таких средах существенным становится влияние нагрева ВРМБ-среды в результате затухания гиперзвуковой волны. Этот эффект на момент начала работы не исследовался.

В настоящее время мощные импульсно-периодические лазерные системы с дифракционным качеством выходного излучения имеют, как правило, следующую конфигурацию: задающий генератор (ЗГ) - многопроходный усилитель - ОВФ-зеркало. Задающий генератор формирует маломощное оптическое излучение с требуемыми спектральными, поляризационными и пространственно-временными параметрами. Излучение ЗГ усиливается в АЭ усилителя, приобретая аберрационные и поляризационные искажения, которые компенсируются в многопроходном усилителе благодаря ОВФ-зеркалу. Важной особенностью таких лазеров является укорочение длительности выходного импульса и изменение его формы по сравнению с входным из-за совместного действия двух нелинейных процессов: усиления и ВРМБ. Исследованиям формы выходного импульса посвящен ряд работ [83-89]. В этих работах приводятся результаты экспериментов и численного счета динамики формирования выходного импульса в конкретных лазерах, а потому носят частный характер. Вопрос о том, какие параметры лазера наиболее существенно влияют на деформацию импульса оставался открытым.

Резюмируя выше изложенное, необходимо отметить, что практически важные вопросы, такие как компенсация аберрационных и деполяризационных искажений, суммирование каналов лазерного излучения, влияние лазерного излучения на свойства оптических элементов, механизмы деформации выходного импульса, при создании лазеров с высокой пиковой и средней мощностью к моменту начала исследований во многом оставались не изученными.

Целью настоящей работы является исследование фазированного суммирования высококогерентного лазерного излучения нескольких каналов за счет процесса ВРМБ

для создания импульсно-периодических лазерных систем на НскУАв с одночастотным дифракционно ограниченным выходным излучением со средней мощностью более 100Вт и пиковой мощностью более 100МВт, а именно:

1. Теоретическое и экспериментальное исследование основных физических процессов, ограничивающих мощность выходного излучения в многоканальных лазерных системах.

2. Экспериментальное исследование фазированного суммирования излучения двух и четырех мощных лазерных каналов в один пучок дифракционного качества.

Новизна работы заключается в следующем:

1. Созданы новые схемы одномодовых задающих генераторов на основе новых принципов селекции продольных мод.

2. Теоретически и экспериментально исследовано поведение ВРМБ-сред при ОВФ одного лазерного пучка с высокой средней мощностью, и при сфазированном ОВФ двух ортогонально поляризованных лазерных пучков предельно малой мощности.

3. Выявлены механизмы искажений формы импульса в лазерах с ВРМБ-зеркалами и созданы на их основе различные схемы лазеров с перестраиваемой длительностью импульса.

4. Исследована работа четырехпроходного двухкаскадного усилителя в импульс-но периодическом режиме.

5. Экспериментально исследована схема фазировки двух и четырех кана