Пространственная структура излучения при синхронизации поперечных мод в лазерах с продольной накачкой (1104542), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Разработана аналитическая модель двух пучков, взаимодействующих за счетпространственной неоднородности усиления, позволяющая определить условия,обеспечивающие синхронизацию поперечных мод. Показано, что результатыаналитической модели близки к полученным численным методом Фокса-Ли.3. Оригинальными являются полученные оценки пороговых значений параметровраспределения усиления (диаметра и усиления на оси) и ширины диапазонаотстроек от строгого вырождения, при которых реализуется синхронизацияпоперечных мод.4.
Впервые исследована синхронизация поперечных мод в лазере с метровымрезонатором. Обнаружено нарушение круговой симметрии пространственнойструктуры излучения, связанное с астигматизмом резонатора. Определеныусловия проявления астигматизма.6Практическая ценность1. Полученыпростыеаналитическиеоценкизначенийдиаметранакачки,позволяющих обеспечить или исключить проявление той или иной критическойконфигурации.
Определены ширины критических областей на диаграммеустойчивости.2. Продемонстрирована возможность диагностики слабого астигматизма лазерныхкристалловвусловияхрасщеплениявырожденияприсинхронизациипоперечных мод. Показано, что для диагностики предпочтительно использоватьглухие резонаторы больших длин.3. В схеме компактного лазера с накачкой одиночным лазерным диодоммощностью 5 Вт продемонстрирована возможность разделения конфигурацийрезонатора на критические и некритические в случае использования в качествеактивной среды кристаллов Nd:YLF и невозможность такого разделения в случаекристаллов Nd:YAG.
Предложена методика поиска оптимальной конфигурациирезонатора.Защищаемые положения1. Число областейнадиаграмме устойчивости двухзеркального лазерногорезонатора, в которых при продольной накачке реализуется синхронизацияпоперечных мод, растет с увеличением числа Френеля, оставаясь ограниченнымзначением, определяемым отношением диаметров пучка накачки и нулевой модыхолодного резонатора. Области синхронизации расширяются с увеличениемрезонаторных потерь.2. Излучение, формирующееся при синхронизации поперечных мод в лазере спродольной накачкой, в зависимости от параметров вырождения имеет напротивоположных зеркалах либо близкие, либо существенно различающиесяраспределения интенсивности.3.
Модель, построенная на анализе взаимодействия двух мод в условияхпространственно неоднородного усиления, позволяет получить аналитическиевыражения для пороговых значений параметров распределения усиления и7параметров резонатора, при которых реализуется синхронизация поперечныхмод.4. При синхронизации поперечных мод в условиях проявления астигматизмарезонатора для каждого обнаруживающегося вырождения имеют место дверазличные длины резонатора, при которых излучение представляет собойсуперпозиции эрмит-гауссовых мод с нулевыми значениями первого и второгоиндекса соответственно.Апробация результатов работыОсновные результаты диссертационной работы опубликованы в 4 научныхстатьях врецензируемыхжурналахиз спискаВАК России«Квантоваяэлектроника» и «Applied Optics» и докладывались автором на международныхконференциях: IV Международная конференция молодых ученых и специалистов«Оптика – 2005», Санкт-Петербург, Россия, 17–21 октября 2005; «The ThirdConference on Laser Optics for Young Scientists (LOYS 2006)», Saint-Petersburg,Russia, June 26–30, 2006; International Conference on Lasers, Applications, andTechnologies (ICONO/LAT 2007), Minsk, Belarus, May 28 – June 1, 2007; XVМеждународная научная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых«Ломоносов», секция «Физика», Москва, Россия, 8–11 апреля 2008; InternationalConference «Laser Optics 2008», St.Petersburg, Russia, June 23–28, 2008, а также насеминарах кафедры общей физики и волновых процессов физического факультетаМГУ имени М.В.
Ломоносова, Института кристаллографии имени А.В. ШубниковаРАН и отделения квантовой радиофизики Физического института имениП.Н. Лебедева РАН.Структура и объем работыДиссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и спискацитируемой литературы. Работа изложена на 134 страницах, включает в себя 47рисунков, 4 таблицы и 78 формул. Список цитируемой литературы содержит 108наименований.8Личный вклад автораВсе изложенные в диссертационной работе оригинальные результатыполучены автором лично или при его непосредственном участии.СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИВо введении обоснована актуальность темы диссертационной работы,сформулированы ее цели и задачи, научная новизна и защищаемые положения.В первой главе «Состояние исследований пространственной структурыизлучения лазеров с продольной накачкой» дан краткий обзор работ поисследованию пространственной структуры излучения лазеров с продольнойнакачкой.
Перечислены основные подходы к описанию таких лазеров. Приведенырезультаты ряда экспериментальных и теоретических работ, дающих представлениеофизическихструктурыпроцессах,излучения.определяющихОбсуждаютсяформированиерезультатыработпространственнойпосинхронизациипоперечных мод в лазерах с вырожденными резонаторами при накачке узкимпучком. §1.1 посвящен особенностям лазеров с продольной накачкой. Отмечаетсяроль соотношения между диаметром нулевой моды холодного резонатора иэффективнымдиаметромнакачки.Рассматриваетсямеханизмискаженияпространственной структуры излучения в представляющем практический интересслучае пучка накачки, узкого по сравнению с нулевой модой резонатора.
В §1.2выделяются подходы к описанию лазеров с продольной накачкой. Описаныприближение амплитудного экрана и особенности профиля пропускания активнойсреды. Дан обзор основных методов расчета пространственной структурыизлучениялазеровснегауссовымиэлементами.Обсуждаютсяспособыхарактеризации отличий пространственной структуры излучения от структурынулевоймодыхолодногорезонатора.В§1.3представленырезультатытеоретических и экспериментальных работ по синхронизации поперечных мод влазерах с продольной накачкой. Существование критических конфигурацийсвязывается с частотным вырождением мод холодного резонатора, которое имеетместо при условииrarccos g1 g 2 ,s(1)9гдеg1,2 — параметрыхарактеризующаяконфигурациивырождение.резонатора,Обсуждаетсяr/s — несократимаявозможностьдробь,существования врезонаторе суперпозиций мод при выполнении условия вырождения.
Отмечается,что в имеющихся на данный момент экспериментальных работах по синхронизациипоперечных мод в лазерах с продольной накачкой используются резонаторынебольших длин (до десятка см).Во второй главе «Структура основной моды аксиально-симметричныхлазеров с устойчивыми резонаторами при пространственно неоднородномусилении» представлены результаты численного моделирования методом ФоксаЛи распределений комплексной амплитуды основной моды лазера с аксиальносимметричнымдвухзеркальнымрезонаторомстонкойактивнойсредой,расположенной на одном из зеркал. В §2.1 представлена схема модельного лазера,описанамодельрасчета,приведенасистемауравнений,описывающихраспределения комплексной амплитуды на зеркалах резонатора.
Резонаторхарактеризуется параметрами конфигурации g1, g2 и числом Френеля NF.Рассматривается случай гауссовых профилей усиления в активной среде видаr2 K ( r ) 1 ( K 0 1) exp 2 2 ,wAC (2)где K0 — усиление на оси, wAC — радиус нулевой моды холодного резонатора, ξ —степень неоднородности (равна отношению радиусов нулевой моды и областиусиления). Отличие рассчитанных распределений комплексной амплитуды отгауссовых характеризуется введенным параметром |β0|2, который представляетсобой долю мощности, которая содержится в нулевой моде холодного резонатора.В §2.2 представлены результаты расчета зависимости |β0|2 от параметровконфигурации резонатора g1 и g2 (рис .1).
Значительные снижения |β0|2 от 1, т.е.заметные отличия распределений основной моды от распределений нулевой модыхолодного резонатора, реализуются в критических конфигурациях, которыепредставляют собой участки гипербол g1g2 = const. Представлены зависимости |β0|2от g2 для плоскосферических (g1 = 1) и симметричных (g1 = g2) резонаторов приразличных NF. В §2.3 приводятся рассчитанные распределения комплекснойамплитуды на зеркалах резонатора для ряда критических10конфигураций.Распределения либо имеют вид узкого приосевого пичка на фоне широкогопьедестала, либо представляют собой выраженные кольцевые структуры.Рис. 1. Зависимость |β0|2 от g1 и g2 при NF = 9, K0 = 2.0, ξ = 3.В §2.4 обсуждаются результаты расчетов.
Представлена физическая интерпретацияформирования негауссовой основной моды, построенная на основе анализафазовыхнабеговлагерр-гауссовыхпучков.Разложениераспределенийкомплексной амплитуды показало, что в критических конфигурациях основнаямода образована набором лагерр-гауссовых пучков со значениями радиальногоиндекса p j sj , где j = 0, 1, 2, 3… в случае четных s и p j sj при нечетных s.2Установлено, что в критических конфигурациях с нечетными s основная модаимеет на противоположных зеркалах близкие распределения, в то время как причетных s распределения существенно различаются. В §2.5 рассматриваются дваспособа приближения пространственной структуры основной моды к гауссовой: засчет перехода к некритической конфигурации резонатора и при установке внутрирезонатора диафрагмы. Основные результаты второй главы сформулированы в §2.6.11В третьей главе «Влияние параметров пространственно неоднородногоусиления на основную моду в окрестности критических конфигураций»численно и аналитически изучается влияние параметров профилированногоусиления — усиления на оси K0 и степени неоднородности ξ — на особенностиосновной моды.
В §3.1 представлены результаты расчета методом Фокса-Лизависимостей |β0|2 от g2 для плоскосферических (g1 = 1) и симметричных (g1 = g2)резонаторов при различных K0 и ξ. Результаты расчета показывают, что числокритических конфигураций не зависит от K0, увеличение K0 приводит красширению областей, в пределах которых наблюдается значительное снижение|β0|2. Увеличение ξ приводит к росту числа проявляющихся критическихконфигураций. В §3.2 изложено представление активной среды с профилированнымусилением как элемента, осуществляющего перераспределение амплитуд в системелагерр-гауссовыхпучков.Рассмотренызависимостиматричныхэлементовпрофилированного усиления вида (2) от K0 и ξ.
В §3.3 разработана аналитическаямодель двух взаимодействующих пучков. Основная мода рассматривается каксуперпозиция двух лагерр-гауссовых пучков с радиальными индексами p = 0 иp = Δp, где Δp = s/2 или s при четном или нечетном s соответственно. Модельучитывает взаимодействие пучков в условиях пространственно неоднородногоусиления, дифракционные потери и относительный сдвиг фаз пучков за обходрезонатора, возникающий при отстройке от строгого вырождения. В §3.4 спомощьюразработанноймоделивпредположении,чтодолямощности,сосредоточенная в пучке с p = Δp много меньше доли мощности, приходящейся напучок с p = 0, получены аналитические выражения для пороговых значенийпараметров, обеспечивающих синхронизацию поперечных мод.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
