Синхронизация излучения наборов волноводных CO2 — лазеров и усилителей

В настоящее время проблема получения мощного лазерного излучения высокого качества является актуальной и ее решение имеет большое значение для фундаментальных и прикладных исследований. Многоканальный принцип построения лазеров является одним из способов решения данной проблемы. Он обеспечивает высокую эффективность энерговклада и теплоотвода из активной среды, позволяет пропорционально числу каналов увеличивать выходную мощность и создавать мощные компактные лазеры с высоким качеством излучения, характерным для отдельного лазера в наборе. Использование полупроводниковых лазерных решеток для накачки твердотельных лазеров позволило увеличить КПД последних до десятков процентов. Наборы волноводных СО2 — лазеров мощностью излучения несколько киловатт применяются в промышленности для поверхностного термоупрочнения деталей машин и механизмов. Наборы импульсных лазеров на неодимовых стеклах позволяют получать энергию в несколько джоулей при средней мощности в десятки киловатт.

Для многих приложений важна не только общая выходная мощность, но и возможность увеличения плотности мощности при фокусировке излучения. Если световые поля отдельных лазеров многоканального лазера не сфазированы, то при одинаковых условиях фокусировки максимальная плотность мощности в N раз больше плотности мощности, получаемой от одноканального лазера (здесь N — число каналов). В случае синхронизации излучения многоканального лазера и синфазном распределении поля по составной апертуре максимальная плотность мощности увеличивается пропорционально квадрату N.

Для достижения сфазированного режима генерации набора лазеров между ними вводится оптическая связь или осуществляется внешняя инжекция излучения. Разные типы оптической связи и способы ее введения были использованы в экспериментах с наборами молекулярных, полупроводниковых и твердотельных лазеров. Наиболее предпочтительна глобальная связь, когда каждый лазер связан с большим числом других лазеров. Такая связь реализуется в случае дифракционного обмена излучением между лазерами в общем резонаторе Тальбо или в резонаторе с пространственным фильтром. Несмотря на заметное число публикаций, посвященных методу пространственного фильтра, вопросам достижения эффективной и устойчивой синхронизации было уделено недостаточно внимания. Под эффективностью синхронизации здесь понимается отношение мощности генерации набора с фильтром в резонаторе к мощности независимой генерации в отсутствие фильтра.

При внешней инжекции излучения синхронизованы с задающим генератором как отдельные лазеры, так и наборы лазеров, и созданы устройства, содержащие однока-нальный задающий генератор и многоканальный однопроходный усилитель. Очевидно, что при синхронизации данным способом желательна развязка между излучением задающего генератора и регенеративного усилителя, а при построении схем многоканальных однопроходных усилителей необходимо устранение потерь излучения в межканальном пространстве усилителя. Поэтому разработка новых схем регенеративных усилителей и схем многоканальных усилителей однопроходного типа представляет практический интерес. Перечисленные проблемы обуславливают актуальность и практическую значимость темы работы.

Цель настоящей работы состоит в определении условий эффективной и устойчивой фазовой синхронизации излучения наборов лазеров методом фокального пространственного фильтра и разработке многоканальных схем усилителей, включая:

1. экспериментальное и теоретическое исследование влияния расстроек длин резонаторов отдельных лазеров, числа лазеров в наборе и параметров пространственного фильтра на эффективность и устойчивость фазовой синхронизации;

2. расчет коэффициентов оптической связи между лазерами одномерного набора с пространственным фильтром на основе приближенного решения дифракционной задачи;

3. анализ характера и причин изменения устойчивости и эффективности фазовой синхронизации при увеличении числа лазеров в наборе;

4. выбор параметров двухканального однопроходного усилителя с двухканальным синхронизованным задающим генератором и исследование характеристик излучения усилителя;

5. построение модели и анализ на ее основе результатов экспериментов с набором из двух кольцевых лазеров с однонаправленной генерацией и общим резонатором. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, изложена на 105.

4.4. Выводы к главе 4.

В главе 4 получены следующие основные результаты:

1. Впервые осуществлена синхронизация излучения двух кольцевых лазеров с общим резонатором и однонаправленной генерацией.

2. Предложена модель кольцевого лазера, учитывающая внутрирезонаторные потери излучения.

3. Выполненные по модели расчеты параметров излучения системы двух лазеров согласуются с экспериментом, объясняют высокую устойчивость синхронизации в данной схеме, а также подтверждают возможность получения одно — и двухлепе-стковой диаграммы направленности при небольшом превышении над порогом.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Сформулируем основные результаты работы.

1. Экспериментально исследовано влияние расстроек оптических длин резонаторов отдельных лазеров, параметров фильтра и числа лазеров на величину эффективности синхронизации излучения параллельных наборов лазеров методом фокального пространственного фильтра. Уменьшение эффективности при уменьшении прозрачности фильтра связано с увеличением потерь излучения на фильтре, а при увеличении расстроек — с деструктивным влиянием интерференции собственного и инжектируемого полей в каждом лазере. Показано, что в одномерном наборе из трех лазеров при выравнивании длин резонаторов соседних лазеров с точностью не хуже Л50, возможна близкая к 80% эффективность синхронизации. При сохранении средней расстройки и заданном фильтре увеличение числа лазеров в одномерном наборе приводит либо к увеличению измеренных значений эффективности, либо не влияет на них. Данный эффект связан со степенью перекрытия непрозрачными участками фильтра главных и промежуточных максимумов распределения интенсивности, и увеличение прозрачности фильтра может приводить к уменьшению эффективности при увеличении числа фазируемых лазеров. В экспериментах с двумерными наборами показана возможность достижения эффективности синхронизации в пределах 30−50%.

2. Устойчивость синхронизации излучения наборов лазеров с фокальным пространственным фильтром зависит от начальных расстроек частот отдельных лазеров и параметров фильтра, а при сохранении средней расстройки и заданном фильтре — от числа синхронизуемых лазеров. В экспериментах с двумя лазерами увеличение расстроек при достаточно прозрачных фильтрах приводило к срыву когерентного режима генерации лазеров и переходу в независимый режимпри уменьшении прозрачности фильтра увеличение расстроек на взаимную когерентность влияние не оказывало вплоть до полного прекращения генерации. Полученное выражение для граничной расстройки в зависимости от порога генерации позволило объяснить эти эксперименты. Экспериментально показано, что устойчивая синхронная генерация крайних пар лазеров трехэлементного набора, имеющих примерно одинаковые расстройки, не является достаточным условием устойчивой синхронизации всего набора. Данный результат объясняется изменением формы и размеров области возможной стационарной синхронизации при увеличении числа лазеров с неоднородной глобальной связью и наглядно интерпретирован при построении областей. В экспериментах с двумерными наборами, содержащими большое число лазеров, переход к неустойчивой синхронизации трактуется как качественное изменение формы пространственного распределения интенсивности в виде заметной некогерентной составляющей. Анализ массива таких распределений вместе с возможным изменением области стационарной синхронизации в зависимости от числа лазеров и параметров фильтра позволил качественно объяснить результаты экспериментов с двумерными наборами.

3. Предложенное решение дифракционной задачи для одномерного набора лазеров, синхронизуемого методом фокального пространственного фильтра, позволило получить аналитическое выражение для коэффициентов оптической связи между двумя любыми лазерами набора. Полученное выражение описывает зависимость величины коэффициента связи от расстояния между лазерами и прозрачности фильтра, а для смещенных фильтров дает значение фазы коэффициента связи. Расчет по данному выражению численных значений коэффициента связи хорошо согласуется с результатами численного расчета.

4. Предложена и экспериментально исследована новая лазерная схема, содержащая двухканальный волноводный С02-усилитель однопроходного типа и двухканаль-ный волноводный задающий генератор, работающий в синхронизованном режиме. Измерения коэффициента усиления усилителя по мощности от выходной мощности задающего генератора показали, что значения коэффициентов усиления такие же, как и для одноканального усилителя. Переход от одноканального к двухканальному усилителю не влиял также на величину и характер изменения от выходной мощности генератора осевой интенсивности излучения усилителя в дальней зоне, нормированной на осевую интенсивность генератора. Результаты этих измерений свидетельствуют об одинаковых условиях усиления излучения в разных каналах усилителя, указывают на возможность создания многоканального усилителя с примерно одинаковыми параметрами различных каналов и позволяют рассматривать предложенную схему как метод увеличения осевой интенсивности излучения мощных многоканальных лазеров.

5. Впервые осуществлена синхронизация излучения двух кольцевых лазеров с общим резонатором и однонаправленной генерацией. Измерения показали зависимость от расстройки резонатора не только общей выходной мощности, но и характера распределения интенсивности излучения в дальней зоне, что заключается в переходе от однолепестковой к двухлепестковой диаграмме направленности. Для объяснения полученных экспериментальных результатов система двух лазеров представлена в виде модели, содержащей задающий генератор и регенеративный усилитель с ин-жекционным захватом частоты. При этом учитывалась произвольная начальная отстройка от центра линии усиления частоты как задающего генератора, так и усилителя. Так как оба лазера работали в условиях заметных внутрирезонаторных потерь излучения, то эти потери учитывались в модели для упрощенного случая усиления плоских волн. Результаты численных расчетов по предложенной методике находятся в качественном согласии с результатами измерений, что позволяет применять ее для анализа выходных параметров излучения аналогичных систем. Показано также, что в условиях сильной отстройки частот генератора и усилителя друг от друга и от центра линии возможна сильная асимметрия полосы захвата.

Отметим научную новизну полученных результатов.

1. Экспериментально установлено, что начальные расстройки длин резонаторов отдельных лазеров оказывают сильное влияние на эффективность и устойчивость фазовой синхронизации наборов лазеров методом пространственного фильтра.

2. Показано, что в зависимости от прозрачности пространственного фильтра при одинаковых других условиях возможно как увеличение, так и уменьшение эффективности синхронизации при увеличении числа лазеров в наборе.

3. Установлено, что форма и размеры области стационарной фазовой синхронизации набора лазеров с неоднородной глобальной связью зависят не только от абсолютных значений коэффициентов оптической связи, но и от их знака.

4. Получено простое аналитическое выражение для определения амплитуды и фазы коэффициента оптической связи между любыми двумя лазерами линейного набора, синхронизуемого методом фокального пространственного фильтра.

5. Предложена и исследована новая лазерная схема, содержащая двухкаиальный вол-новодный С02-усилитель однопроходного типа и синхронизованный двухкаиальный задающий генератор.

6. При отстройке друг от друга и от центра линии усиления частот задающего генератора и регенеративного усилителя с инжекционным захватом полоса захвата становится асимметричной относительно частоты задающего генератора и степень асимметрии с увеличением отстроек увеличивается.

Укажем на практическую ценность работы.

1. Для получения эффективной и устойчивой фазовой синхронизации излучения наборов лазеров методом пространственного фильтра необходим комплексный подход, учитывающий параметры фильтра, начальный разброс частот отдельных лазеров и их число в наборе.

2. Выравнивание длин резонаторов отдельных лазеров, синхронизуемых методом пространственного фильтра, позволяет получить эффективность синхронизации двух и трех лазеров, равную соответственно 90% и 80%.

3. Полученное выражение для коэффициента оптической связи между двумя лазерами набора, синхронизуемого методом пространственного фильтра, позволяет быстро рассчитать амплитуду и фазу коэффициента связи и не требует проведения громоздких численных расчетов.

4. Предложенная схема двухканального однопроходного усилителя с синхронизованным двухканальным задающим генератором может быть масштабирована по числу каналов и рассматриваться как метод увеличения осевой интенсивности мощных многоканальных лазеров.

5. Применение выходного зеркала специального вида позволяет синхронизовать два кольцевых однонаправленных лазера с общим резонатором и открывает возможность построения многолучевых систем такого типа.

Автор выражает глубокую признательность научному руководителю А. Ф. Глове. Им были сформулированы задачи, работа над которыми привела к написанию диссертации. Хочу поблагодарить В. П. Ярцева, В. В. Дылева, Е. А. Лебедева, С. Б. Щетникова, Е. И. Мусёну, C.B. Барсукова за неоценимую помощь в проведении экспериментов, а А. П. Напартовича, В. В. Лиханского, С. Ю. Курчатова и H.H. Елкина за проведение расчетов и плодотворные дискуссии при обсуждении результатов. Благодарю также Р. Л. Маркину за огромную помощь в оформлении работы.