автореферат диссертации по электронике, 05.27.03, диссертация на тему:Управление параметрами излучения импульсивных твердотельных ВКР-лазеров на основе полифункциональных нелинейных сред

Санкт-Петербургский Государственный Институт Точной Механики и Оптики (Технический университет)

На правах рукописи

Гагарский Сергей Валерьевич

УДК 621.373.826

Управление параметрами излучения импульсных твердотельных ВКР-лазеров на основе полифункциональных нелинейных сред

05.27.03-Квантовая электроника

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Санкт-Петербург 1998

Работа выполнена на кафедре квантовой электроники и биомедицинской оптики в Санкт-Петербургском Государственном институте точной механики и оптики

(Техническом Университете).

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Григорий Борисович Альтшулер

Официальные оппоненты: доктор ф.-м. наук, профессор доктор ф.-м наук, профессор

Николай Николаевич Розанов Сергей Аркадьевич Козлов

Ведущая организация:

ЛОМО

Защита состоится

1999 года в

часов на заседании

диссертационного совета К.053.26.02 по защите диссертаций на соискание ученой степени кандидат физико-математических наук в Санкт-Петербургском Институте Точной Механики и Оптики по адресу: 197101, ИТМО , Саблинская 14, ауд. №285.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского института точной механики и оптики.

Автореферат разослан Л Я._года.

Ученый секретарь специализированного совета

Владимир Игоревич Юревич

СОДЕРЖАНИЕ Стр. Введение........................................................................................................................3

Глава 1. ВКР-конверсия излучения в твердотельных лазерах................................12

§1.1. Пространственно-временная структура излучения при ВКР

коротких лазерных импульсов....................................................................................13

§1.2. Внутрирезонаторное ВКР в импульсных лазерах............................................20

§1.3.Кристаллические комбинационно-активные среды.........................................24

Глава 2. Формирование когерентных стоксовых компонент ВКР и их влияние на генерацию сверхкоротких лазерных импульсов в лазерах

с кристаллическими ВКР-конверторами..................................................................30

§2.1. Формирование стоксовых компонент в ненасыщенном режиме ВКР........31

§2.2.Влияние стоксовых компонент на самофокусировку лазерного

излучения в комбияационно-акгивных средах........................................................51

§2.3. Влияние когерентных стоксовых СКИ на временную структуру

лазерных импульсов в условиях насыщения ВКР-усиления...................................58

§2.4. Экспериментальное исследование режимов ВКР в

пикосекундном твердотельном лазере........................................................................69

Глава 3. Исследование комбинационно-активных кристаллов с

примесными центрами................................................................................................75

§3.1. Лазерные и комбинационно-активные свойства кристаллов 1ЖтМ

и КО\У, активированных ионами неодима...............................................................75

§3.2. Исследование влияния концентрации ионов Ис13+ на характеристки внутрирезонаторного ВКР-преобразования в кристаллах КСё(\\Ю4)2...................88

Глава 4. Исследование лазеров на основе кристаллов Nd•.KGW с ВКР-самопреобразованием излучения.................................................................

§4.1. Импульсные твердотельные лазеры СКИ с нелинейно-оптическими

преобразователями частоты.........................................................................................92

§4.2 Генерация наносекундных импульсов в области 1.54 мкм в компактном ВКР-лазере на кристалле Nd:KGW...........................................................................121

Заключение..................................................................................................................131

Литература...................................................................................................................134

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы

Одним из способов получения мощных световых импульсов пико- и

наносекундной длительности в тех спектральных диапазонах, где отсутствуют эффективные лазерные среды или быстродействующие модуляторы, является преобразование частоты излучения при вынужденном комбинационном рассеянии света (ВКР) [1]. К моменту начала данной работы (1985 г.) возможности для практического использования лазеров с ВКР-преобразованием значительно возросли в связи с появлением кристаллических лазерных комбинационно-активных сред (ЛКАС), совмещающих в себе генерационные свойства лазерной среды и рамановскую активность. Наиболее известными представителями полифункциональных элементов данного типа являются активированные редкоземельными ионами кристаллы вольфраматов-молибдатов [19,25]. Матрица этих кристаллов прозрачна в диапазоне от 0.2 до 5 мкм и допускает активацию практически всеми используемыми для лазерной генерации ионами. Сравнительно низкие пороги возбуждения лазерной генерации и высокая эффективность ВКР-преобразования частоты в ЛКАС определяют возможности разработки высокоэффективных малогабаритных лазерных источников, генерирующих импульсы в широком спектральном диапазоне. В ряде случаев дискретно перестраиваемые по частоте источники сверхкоротких световых импульсов (СКИ), построенные на основе ЛКАС, выгодно отличаются от непрерывно перестраиваемых лазеров на основе широкополосных активных сред высокой спектральной яркостью излучения, доступностью использования неселективной накачки и конструктивной простотой. Подобные источники становятся еще более привлекательными в результате разработки полностью твердотельных устройств для синхронизации мод, основанных, например, на нелинейном зеркале с преобразователем частоты (НЗПЧ) [103]. Как правило, в качестве преобразователя частоты в этих устройствах используется кристалл второй

гармоники, который также можно отнести к полифункциональным элементам, так как он выполняет одновременно и функции модулятора лазерного излучения.

Для успешной разработки высокоэффективных и стабильных твердотельных лазеров СКИ с ВКР самопреобразованием излучения необходимо учитывать специфику взаимодействия излучения с кристаллическими комбинационно-активными лазерными элементами. Эта специфика определяется взаимовлиянием генерируемых спектральных компонент на лазерной и комбинационных частотах, влиянием резонансных переходов в энергетической структуре активатора на процесс вынужденного комбинационного рассеяния [57,58], соотношением контуров дисперсии лазерного и комбинационного усиления а также дисперсией показателя преломления кристаллической матрицы [5,9,12].

Спектральный состав и пространственно-временные характеристики излучения пикосекундных ВКР-лазеров существенным образом зависят от начальной длительности и амплитуды сформированного импульса на лазерной частоте. Стабилизация этих параметров может быть достигнута при использовании в лазере СКИ систем инерционной отрицательной обратной связи (ИООС) [84,85] по средней внутрирезонаторной мощности излучения.

В связи с широкими возможностями использования лазеров с ВКР-самопреобразованием излучения в практических приложениях, исследование оптических характеристик примесных комбинационно-активных кристаллов, всестороннее изучение особенностей усиления световых импульсов в ЛКАС и определение возможностей управления и стабилизации параметрами излучения лазеров на их основе представляется весьма актуальной задачей.

Цель работы:

Цель диссертации состояла в изучении особенностей генерации и усиления коротких импульсов на лазерной и комбинационных частотах в

кристаллических ЛКАС, определении возможностей управления спектральными и пространственно-временными параметрами лазерного излучения с помощью внутрирезонаторных кристаллов с высокой квадратичной и кубичной нелинейностью и в построении на основе полифункционш. оных элементов стабильных ВКР-лазеров с дискретной перестройкой длины волны генерируемого излучения.

Основные задачи исследования:

1. Построение теоретической модели лазера СКИ с ВКР-самопреобразованием излучения в кристаллической ЛКАС и изучение динамики формирования пространственно-временных и когерентных свойств излучения на стоксовых частотах в условиях, когда длительность генерируемых импульсов близка ко времени фазовой релаксации комбинационно- активного перехода, а длина нелинейной среды сравнима с длиной дисперсионной расстройки групповых скоростей взаимодействующих импульсов.

2. Исследование спектрально-люминесцентных и генерационных характеристик лазерных комбинационно-активных сред, выполняющих одновременно функции активной среды и преобразователя частоты.

3. Разработка способов синхронизации мод в импульсных лазерах, полностью реализованных на твердотельной элементной базе.

4. Разработка высокоэффективных ВКР-лазеров с синхронизацией мод с управляемыми спектральными и временными параметрами излучения, стабилизированных введением отрицательной обратной связи по средней внутрирезонаторной мощности излучения.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Экспериментально обнаружен эффект фазового самовоздействия коллимированного лазерного излучения на квадратичной нелинейности объемного кристалла. Установлено, что при распространении лазерного излучения в кристалле второй гармоники в условиях отстройки от

фазового синхронизма происходит его амплитудно-фазовая модуляция. Получено выражение для вычисления нелинейного фазового сдвига в лазерном импульсе в зависимости от интенсивности падающей волны, величины волновой расстройки, длины взаимодействия и коэффициента квадратичной нелинейной восприимчивости кристалла с учетом преобразования энергии лазерного излучения во вторую гармонику [102].

2. Разработана методика построения диаграмм, связывающих распределение амплитуды и фазы генерируемых импульсов на лазерной и комбинационных частотах во времени, параметры лазерной комбинационно-активной среды и добротность резонатора полихроматического лазера СКИ [20].

3. Изучены комбинационно-активные свойства кристаллов и3ВазОёз(Мо04)8 (ЫЮМ). Исследованы спектры СКР, определены ширина полосы и инкремент усиления наиболее мощной линии ВКР этого кристалла. На кристалле Ш3+:1ЛЮМ получена лазерная генерация в режиме синхронизации мод, сопровождающаяся ВКР-самопреобразованием излучения. В этом же кристалле получена эффективная генерация пикосекундного светового континуума [130].

4. Установлена зависимость энергетических коэффициентов внутрирезонаторного ВКР-преобразования лазерных импульсов в осевые стоксовые компоненты в кристаллах Ш3+:КО\¥ от концентрации ионов неодима и от ориентации активированных кристаллов относительно плоскости поляризации генерируемого излучения [21].

5. Продемонстрирована возможность получения полной синхронизации мод в лазерах с ИООС при использовании кристалла второй гармоники в качестве быстродействующего дискриминатора амплитуды световых импульсов [95,96,112].

6. Предложен и реализован способ получения СКИ в импульсных твердотельных лазерах с использованием опто-электронной системы малоинерционной отрицательной обратной связй (МИООС) с временем нарастания отклика порядка длительности СКИ, и с временем релаксации

отклика близким к аксиальному периоду резонатора, который обеспечивает выделение одиночного на аксиальном периоде резонатора СКИ без применения каких-либо дополнительных амплитудных селекторов или внешних источников периодического сигнала.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. При распространении в нелинейном кристалле коллимированного лазерного излучения и генерируемой второй гармоники в условиях отстройки от фазового синхронизма происходят амплитудно-фазовая модуляция импульса на частоте накачки и деформация пространственно-временного распределения импульса на частоте второй гармоники, вызванные самовоздействием света на квадратичной нелинейности кристалла и энергообменом гармоник в нем.

2. Фаза лазерных импульсов, генерируемых в одномодовых кристаллических лазерах с ВКР-преобразованием излучения, с высокой степенью точности воспроизводится в импульсах на стоксовых частотах, если суммарно набранный инкремент ВКР-усиления удовлетворяет

л

условию G > Gfo + k(xp/T2r) , где Tir - время фазовой релаксации комбинационно-активного перехода, а значения параметров Gf0 и к определяются начальной формой лазерного импульса длительностью тр и

временным распределением сигнала на стоксовой частоте.

3. В режиме насыщения попутного ВКР в лазерных комбинационно-активных кристаллах существует область значений длительности лазерных импульсов и их пиковых интенсивностей, для которых в огибающих когерентных импульсов на выходе из среды отсутствует фрагментация, а максимумы импульсов на лазерной и стоксовых частотах располагаются последовательно во времени в порядке увеличения длины волны, даже если длина кристалла сравнима с длиной дисперсионной расстройки групповых скоростей стоксова и лазерного импульсов.

4. Режим воспроизводимой синхронизации мод в лазерах с нелинейным зеркалом на основе кристалла второй гармоники реализуется при введении в резонатор лазера цепи инерционной отрицательной обратной связи как при настройке генератора второй гармоники в синхронизм, так и при расстройке нелинейного кристалла из синхронизма в условиях каскадного преобразования частоты излучения.

Практическая значимость

1. Полученные в диссертации результаты использованы при проектировании лазерных твердотельных ВКР-лазеров. В частности, совместно ЛИТМО и НТО АН СССР разработан и промышленно изготовлен стабильный импульсный пикосекундный ВКР-лазер Гранат-М на основе кристаллов Nd:KGW. Лазер генерирует дискретно перестраиваемые в широком спектральном диапазоне цуги или одиночные импульсы с энергией в несколько миллиджоулей и длительностью в единицы пикосекунд при нестабильности параметров генерируемого излучения не превышающей единиц процентов. Лазеры этой серии использованы в разработанных метрологических комплексах аттестации оптического волокна (внедрено в Институте Электроники Болгарской АН), поверки образцовых средств измерения длительности импульсов (внедрено в ВНИИОФИ, Москва) и в лазерных спектрометрах с высоким временным разрешением (внедрено в Софийском университете, в РГПУ им. Герцена).

2. Предложенные способы синхронизации мод использованы при разработке импульсных твердотельных лазеров серии PL-FDNLM. Внедрение проведено в Лазерном центре ИТМО (С-Петербург,Россия), Институте лазерной техники Софийского Университета (София, Болгария), Техническом Университете (Мюнхен, Германия), ALT GmbH (Геттинген, Германия).

3. На базе кристалла Nd:KGW разработан прототип малогабаритного излучателя с пассивным охлаждением, генерирующим излучение в

безопасном для глаз спектральном диапазоне в области 1.54 мкм. Энергия импульсов генерации 10 мДж, длительность импульсов 20 не, частота повторения 10 Гц. Разработка внедрена в Лазерном Центре ИТМО (С-Петербург, Россия).

4. Определена перспективность кристаллов LBGM, активированных редкоземельными ионами для использования в качестве активной среды для субпикосекундных лазеров с ВКР-самопреобразованием излучения.

Личный вклад соискателя:

В коллективных работах диссертанту принадлежат результаты, изложенные в защищаемых положениях. Результаты, изложенные в выводах, в значительной мере получены и интерпретированы самим автором. При разработке приборов, реализованных на базе экспериментальных макетов, автор являлся ответственным исполнителем.

Апробация работы:

Основные результаты работы опубликованы в 23 печатных работах и докладывались на конференциях: "Высокоскоростная фотография, фотоника и метрология быстропротекающих процессов" (Москва'1987,1989,1991), "Теоретическая и прикладная оптика" (Ленинград'1988), "Оптика лазеров" (Ленинград'1990,1993,1995), "Когерентная и нелинейная оптика" (Ленинград'1991), "Lasers-Physics and Applications" (Bulgaria, Sofia'1992), YHI-th International Symposium on Ultrafast Processes in Spectroscopy, (Lithuania, Vilnius'1993), Conference on Lasers and Electro-Optics Europe (The Netherlands, Amsterdam'1994), "Coherent and Nonlinear Optics" (St.Petersburg'1995), Advanced Solid-State Lasers Conference, (USA, Memphis'1995), "Лазеры в науке, промышленности и медицине" (Пушкинские Горы'1997), NATO ASI conference "Advanced Photonics with Second-Order Optically Nonlinear Processes" (Bulgaria, Sozopol'1997). Получены положительные решения по 2

заявкам на изобретение. Разработанные на основе проведенных исследований приборы неоднократно демонстрировались на российских и международных выставках.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитируемой литературы. Диссертация изложена на 149 страницах, включая 4 таблицы, 37 рисунков и список литературы, содержащий 166 наименований. Краткое содержание работы

Дальнейший материал излагается в следующей последовательности:

В первой главе проведен литературный обзор по особенностям нестационарнного внутрирезонаторного ВКР-преобразования лазерного излучения в комбинационно-активных средах. Особое внимание уделено кристаллическим ком�