Механизмы формирования мод кольцевого лазера с голографическим зеркалом, записываемым спекл-излучением тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.27.03, кандидат физико-математических наук Яровой, Владимир Викторовитч

• Яровой, Владимир Викторовитч
• кандидат физико-математических наук
• 2000

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Яровой, Владимир Викторовитч

Введение

ГЛАВА 1. Селективные свойства безопорной голограммы, формируемой спекл-пучками и отвечающей недифракционному приближению

1.1. Точный и приближенный критерии качества ОВФ и связь понятий ортогональности и некоррелированности спекл-полей

1.2. Оператор отражения от короткой безопорной голограммы, записанной на решетках усиления

1.3. Селекция сопряженной к сигнальному излучению и подавление некоррелированных с ним волн в короткой безопорной голограмме

1.4. Физическая интерпретация селективной способности недифракционной безопорной голограммы

ГЛАВА 2. Пространственная структура фундаментальной моды голографического лазера с короткой безопорной голограммой

2.1. Механизм формирования мод кольцевого резонатора с голографическим зеркалом и критерий устойчивости моды, содержащей ненулевую проекцию на обращенную к сигналу волну

2.2. Пространственная структура фундаментальной моды в голографическом резонаторе произвольной конфигурации

2.3. Специфика формирования моды в кольцевом голографическом резонаторе, удовлетворяющем геометро-оптическому и фраунгоферову приближениям

2.4. ОВФ спекл-пучков в кольцевом лазере с короткой голограммой, записываемой на решетках усиления в кристалле YAG:Nd и в неодимовом стекле

ГЛАВА 3. Поляризационные свойства короткой голограммы в кольцевом резонаторе и векторное ОВФ методом голографического лазера

3.1. Поляризационная модель кольцевого голографического лазера и структура его поперечной моды

3.2. Пространственно-поляризационная структура фундаментальной моды голографического резонатора,содержащего двулучепреломляющие элементы 130 3.2.1. Случай резонатора с однородной двулучепреломляющей средой в петле обратной связи

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Механизмы формирования мод кольцевого лазера с голографическим зеркалом, записываемым спекл-излучением»

Голографические принципы находят все более широкое применение в лазерных генераторах. На их основе разрабатываются нелинейно-оптические методы, использующие в том числе явление обращения волнового фронта (ОВФ) [1-3], и схемные решения, которые позволяют адаптивно корректировать фазово-поляризационные искажения в лазерных пучках [4,5]. Такая коррекция, в частности, необходима для поддержания в мощных лазерных источниках высокого пространственного качества выходного излучения [6,7].

Задача ОВФ-корректоров при создании мощных лазерных систем, генерирующих излучение с малой расходимостью, состоит в следующем. Излучение дифракционного качества, которое формируется маломощным задающим генератором, поступает затем в мощный усилительный каскад, приобретая в нем как тепловые аберрации фазы, так и деполяризацию из-за неоднородного двулучепреломления в усилителях. Функция ОВФ-зеркала заключается в том, чтобы отраженное от него излучение компенсировало эти фазово-поляризационные искажения на обратном проходе усилителей, после чего выводилось из схемы в виде мощного пучка дифракционного качества. Одна из современных многоканальных модификаций схемы, построенной по такой архитектуре для УА&Ш лазера, представлена, например, в работе [6].

Следует заметить, что указанные искажения могут приводить к появлению в пучке, прошедшем усилители и поступающем на вход ОВФ-зеркала, своего рода "многомодовости", то есть пространственной модуляции интенсивности поля в поперечном сечении пучка, глубина и характерный поперечный масштаб которой будет определяться характером фазовых неоднородностей трассы. По мере продвижения в область предельных для данных систем мощностей, сопровождаемого увеличением тепловых нагрузок на активную среду широкоапертурных усилителей со стороны накачивающего ее излучения, вероятность такого "спеклования" проходящего их пучка увеличивается. Поэтому даже в этом традиционном контексте использования ОВФ-зеркал, они должны быть способны к качественному обращению многомодового и спекл- ♦ неоднородного излучения, в котором при этом наряду с фазовыми также могут присутствовать заметные поляризационные искажения.

Использование явления ОВФ, наряду с методами адаптивной оптики [8], актуально для решения целого ряда других важных научных и научно-технических задач, где также приходится иметь дело с лазерными пучками разной сложности. В их числе самонаведение излучения для доставки энергии на малоразмерную мишень (в исследованиях по лазерному термоядерному синтезу); восстановление исходного качества лазерного пучка, а также расшифровка информации, зафиксированной в пространственном распределении комплексной амплитуды пучка, при его двукратной передаче по многомодовым волоконным световодам (сильно спеклующим и деполяризующим лазерный пучок) [9]; доставка излучения через турбулентную атмосферу [8,10]; создание предельно направленных лазерных пучков на базе относительно дешевой аберрационной оптики.

В рамках проблематики, связанной с ОВФ и конструированием лазеров, самоадаптивных к разного рода аберрациям, много внимания в последние годы уделяется методу "голографического лазера", в котором одно из зеркал представляет собой динамически записываемую голограмму. Начальный импульс развитию этого метода был дан в первой половине 80-х годов в работах [11-13], в которых впервые были продемонстрированы адаптивные свойства схем с голографичесими зеркалами на основе сред, активных к ВРМБ [11], и фоторефрактивных кристаллов [12-13], обладающих сильным нелинейным откликом. Процессы четырехволнового взаимодействия в этих схемах индуцировались внешним оптическим сигналом. Главное новое качество, которое отличало данные ОВФ-схемы от предыдущих схемных решений, основанных на вырожденном четырехволновом взаимодействии (ВЧВ) [14] и на обычной однопроходовой схеме ОВФ при ВРМБ [15], состояло именно в наличии в них петли обратной связи, хотя на данном этапе они еще не представляли собой лазерный генератор. Лазерный аналог данной петлевой схемы и ее адаптивные возможности при формировании голограммы квазиплоскими пучками были продемонстрированы несколько позднее [16-18]. В [16] также впервые прогнозировались возможности схемы по ОВФ излучения, содержащего произвольное число пространственных компонент. С целью эффективной селекции в петле обратной связи сопряженной к сигналу волны было предложено использовать внутри резонатора амплитудно-фазовый селектор в виде комбинации случайно-неоднородной фазовой пластины, лйнз и диафрагмы, осуществляющий пространственную фильтрацию обращенной волны от некоррелированных компонент.

Последующее развитие данный метод получил уже в 90-х годах, чему способствовали несколько факторов. В их числе следует отметить два основных. Во-первых, использование для записи динамической голограммы нелинейности насыщения усиления самой лазерной среды [19] (для краткости, будем в дальнейшем называть эту нелинейность "активной") оказалось весьма адекватным потенциальным возможностям метода и придало новый импульс его исследованиям [20-24]. Во-вторых, углубленное изучение механизмов селекции сопряженной к сигнальной волне компоненты в поперечной моде голографического лазера позволило рассматривать данный метод как эффективную ОВФ-технику, позволяющую качественно обращать не только волны с гладкой (гауссовоподобной) пространственной структурой поля, но и пространственно-неоднородные пучки [18,25-29]. Оба эти обстоятельства существенно расширили возможности метода как по ОВФ пучков разной сложности, так и с точки зрения его применения для разных лазерных сред и, как следствие, для различных спектральных диапазонов.

На современном этапе развития метода голографического лазера в нем очевидно просматриваются две базовые модификации. Первый вариант более традиционный и вписывается в концепцию ОВФ-зеркала [16-19,25-31]. В этом варианте голографическое зеркало формируется внешним оптическим когерентным сигналом Е\ (Рис.1), волновой фронт которого и подлежит обращению: динамическая голограмма записывается сигнальной волной Е\, поступающей на вход петлевой схемы, и волной Ез, в которую волна Е\ преобразуется в результате обхода элементов петли обратной связи. В образуемом в результате записи голограммы кольцевом резонаторе с усилителями при определенных параметрических условиях может развиваться волна генерации Е2-Е4 во встречном к сигнальной волне направлении и с обращенным к ней волновым фронтом. Таким образом, в качестве нелинейно-оптического ОВФ-зеркала выступает сам кольцевой голографический лазер.

В другом случае речь идет о модели "самостартующего" лазера, когда внешняя сигнальная волна Е\ отсутствует, и динамические голографические решетки стартуют с уровня спонтанных флуктуаций параметров нелинейной среды и затем нарастают во времнени, индуцируясь самой волной генерации [7,32-34]. Имея возможность динамически подстраиваться к спектральным и , что более принципиально, к пространственным параметрам волны генерации (на которые влияют, в том числе,

Рис.1. Принципиальная схема кольцевого лазера с голографическим зеркалом, формируемым внешним оптическим сигналом Е^ - Е^. фазовые искажения в петле обратной связи), голограмма, а вместе с ней сам лазер демонстрируют адаптивные свойства к этим внутрирезонаторным фазовым аберрациям, а при определенной геометрии и к деполяризационным искажениям (как, например, было показано в [4]). Таким образом, модель самостартующего лазера укладывается в концепцию мощного лазерного генератора, высокое пространственное качество выходного излучения которого должно обеспечиваться динамической голограммой, параметрически связанной с модой лазера и "следящей" в масштабе реального времени за тепловыми искажениями в мощных внутрирезонаторных усилителях.

Как уже отмечалось, метод голографического лазера получил интенсивное развитие именно в последнее десятилетие, поэтому он воспринял некоторые принципиальные моменты от двух традиционных методов создания обращенных волн: ВР-метода [1,3,6,15], основанного на явлении Вынужденного Рассеяния, главным образом, рассеяния Манделыптама-Бриллюэна (ВРМБ) в жидких средах, и ВЧВ-метода [1,3,14], использующего Вырожденное Четырехволновое Взаимодействие с двумя взаимосопряженными волнами накачки. Например, от ВРМБ-техники метод голографического лазера заимствовал некоторые положения, касающиеся дифракционных механизмов формирования пространственной структуры моды с преобладанием в ней волновой компоненты, которая сопряжена к сигнальному пучку накачки, обладающему развитой спекл-структурой [27,35,36]. С традиционным ВЧВ метод голографического лазера принципиально имеет тесное родство, что давало основание в ряде работ [18,26-28] определять его как "Четырехволновое Взаимодействие с Обратной Связью" (ЧВОС), обеспечиваемой кольцевым резонатором. Однако, на каждом этапе своего развития метод демонстрирует качественно новые особенности, дающие ему в ряде случаев определенные преимущества по сравнению с упомянутыми выше традиционными ОВФ-техниками. Это позволяет придать ему вполне самостоятельный статус в проблематике, связанной с ОВФ и адаптивной оптикой.

Так, ОВФ-ВРМБ-методы имеют серьезные спектральные ограничения, поскольку, например, в отличие от видимой и ближней ИК области спектра в среднем инфракрасном диапазоне реализация эффекта ОВФ в процессах вынужденного рассеяния сопряжена со значительными трудностями, обусловленными высоким значением порога возбуждения в нестационарном режиме и конкуренцией с сопутствующими нелинейными процессами. Поэтому первоначально метод голографического лазера как ОВФ-метод получил практическую реализацию именно в среднем ИК диапазоне, где отсутствовали эффективные ВР-методы: главным образом, на длине волны С02 лазера [26,37] и СО лазера [22,38].

С другой стороны, постоянно сохранялся интерес и к таким традиционным лазерным средам, как УАО:Ш, а также к другим кристаллическим средам, генерирующим в видимом и ближнем ИК диапазоне^ [20,33,39-41], поскольку техника голографического лазера привлекательна именно в силу ее универсальности для различных лазерных сред. В первую очередь это связано с существованием эффективных нелинейностей, используемых для записи динамической голограммы: тепловой нелинейности [26-27,30,40-41]^ и, главным образом, нелинейности насыщения усиления самой лазерной • среды [20-22,24,28-29,39] (или активной нелинейности). Действительно, голографическая запись сигнальной информации на решетках усиления делает голографические принципы (развиваемые в том числе в данной диссертационной работе) достаточно универсальными для любой лазерной среды. Это дает методу заметные преимущества перед ВР-методами, в частности^ перед жидкостными ВРМБ-зеркалами, которые, однако, хорошо проявляют » себя в твердотельных импульсно-периодических УАО:Ш системах с частотами повторения в несколько десятков герц (в условиях ламповой накачки) [6]. В подобных системах тепловые нагрузки со стороны лазерного излучения на нелинейную среду, обусловленные как линейным поглощением в ее "матрице" или на паразитных примесях, остающихся даже после глубокой очистки нелинейной ВРМБ-среды, так и принципиальным для ВРМБ нелинейным поглощением гиперзвуковой волны [42] не подавляют процесс вынужденного рассеяния.

В свете новейших тенденций в лазерных технологиях, связанных с переходом с ламповой на узкополосную диодную накачку [43] традиционных лазерных кристаллов (в первую очередь УА&Ш), ОВФ-зеркало на основе голографического лазера и для видимого и ближнего ИК диапазонов генерации твердотельных лазеров получает определенные преимущества перед ВРМБ-зеркалами. Действительно, если исходить из того, что такое ОВФ-зеркало призвано обеспечивать требуемую работоспособность в мощной (высокочастотной, с частотами повторения 1кГц и выше) лазерной системе с диодной накачкой, то оптимальной нелинейностью для записи голограммы также является активная нелинейность. В этом случае ухудшение эффективности ОВФ-зеркала может быть обусловлено двумя обстоятельствами. С одной стороны, паразитное влияние на голограмму может оказывать само формирующее ее и подлежащее обращению лазерное излучение, с другой стороны, излучение оптической накачки активной среды голограммы.

При воздействии на такую "активную" голограмму лазерного излучения наиболее существенными с точки зрения искажений голографической информации являются неоднородные по ее поперечному сечению паразитные влияния, обусловленные неоднородностью самого лазерного пучка. При этом нужно иметь в виду, что даже если эффект такого негативного влияния на процесс голографической записи несущественней при отражении от рассматриваемого ОВФ-зеркала одиночного импульса, то в высокочастотной диодной системе нужно учитывать возможность накопления этого неоднородного воздействия на голографическую среду. Однако, оценки такого воздействия на активную голограмму, обусловленного, например, наиболее заметным паразитным эффектом неоднородного светоиндуцированного тепловыделения из-за "дефекта кванта накачки" [44] в четырех-уровневой генерационной схеме, свидетельствуют о его незначительности для и других лазерных кристаллов.

С другой стороны, предполагается, что "активная" голограмма также накачивается диодом. Поэтому тепловые нагрузки на нее со стороны накачивающего диода при высоких частотах повторения остаются примерно на том же уровне (при одинаковых энергетических параметрах схемы в одиночном акте отражения), что и в более низкочастотных системах с ламповой накачкой петлевых и голографического усилителей, где метод демонстрирует хорошую эффективность [7,45]. Важно отметить, что диодная накачка имеет высокий коэффициент поглощения в активной среде, порождая проблему обеспечения однородности накачки в поперечном сечении активного элемента. С точки зрения голографической записи в активной среде происходит значительное уменьшение области, в которой такую запись возможно осуществить, не нарушая ее однородность, то есть без привнесения в этот процесс дополнительных искажений. В этой связи*, в случае накачки голограммы диодом (как, например, это > осуществлено в работе [46] для обычного ВЧВ) предпочтительна продольная геометрия накачки голографического элемента. Такая схема накачки позволяет избежать амплитудных искажений голографической информации из-за неоднородности накачки в поперечном сечении голограммы, которые неминуемы в случае ее поперечной накачки диодом. и

Проведенные рассуждения дают основания утверждать, что метод голографического лазера с использованием активной нелинейности для голографической записи обладает потенциально более широкими возможностями (в плане использования его для разных спектральных диапазонов и лазерных сред) и более адекватен новым тенденциям в лазерной технологии, чем ВР-техника. Однако, в связи с нелинейно-оптическими методами, основанными на явлении вынужденного рассеяния, следует отметить, что в последние годы были обнаружены качественно новые виды вынужденного рассеяния, с использованием которых связываются определенные перспективы в развитии ВР-ОВФ-техники. В частности, в [47] сообщалось об обнаружении явления вынужденного рассеяния в инвертированной лазерной среде. Поскольку в данном случае речь идет об использовании самой лазерной среды в ВР-процессе, с которой он непосредственно связан, то все рассуждения о преимуществах метода голографического лазера, использующего активную нелинейность в качестве голографической, сохраняют свою силу и в отношении ВР-методики, применяющей этот вид рассеяния. Кроме этого, наиболее эффективно данный ВР-метод проявляет себя в сочетании с голографическими принципами в условиях параметрической обратной связи [48].

Теперь сформулируем наиболее принципиальные отличия метода голографического лазера от родственного ему ВЧВ-метода с опорными пучками, который в последние годы продолжает исследоваться достаточно интенсивно также благодаря использованию для динамической записи активной нелинейности (а также резонансного поглощения) [46, 49-51]. Уже в первых работах [11-13,16-18], посвященных исследованию метода голографического лазера, делался акцент на одной его важной особенности, которую можно определить как "самонакачиваемость" нелинейного зеркала (которое в целом представляет собой петлевой лазер) внешним сигналом. Это делает возможным осуществление само-ОВФ сигнального пучка без привлечения дополнительных опорных волн. Данная особенность составляет существенное отличие и преимущество рассматриваемого метода относительно ВЧВ-метода: последний, используя дополнительные опорные волны накачки, требует для них отдельного лазерного источника и, как следствие, решения задачи спектрально-временного согласования его излучения с сигнальным.

Если к сравнительной характеристике ВЧВ-метода и метода голографического лазера подходить с вполне естественной в их отношении голографической идеологии, то выявляются более принципиальные различия между ними. Они, в частности, выражаются в необходимости в ряде практически важных ситуациях применять в методе голографического лазера нестандартные голографические подходы, которые не были свойственны классической голографии (см.,например,[52]).

Так, одним из основополагающих принципов для традиционной голографии является принцип "опорностиили "референтное™". Он состоит в том, что только одна -из двух записывающих голограмму волн является сигнальной. Другая волна выполняет функцию опорной (плоской или сферической) и не несет на себе информации об объекте, позволяя только сформировать с сигнальной волной интерференционное поле, решеточная составляющая которого "прописывает" амплитудно-фазовые информативные неоднородности сигнальной волны. В этом смысле ВЧВ-метод является полным динамическим аналогом классической опорной голографии, с той лишь спецификой, что процессы записи и считывания голограммы идут единовременно. Роль опорной волны в этом случае выполняет одна из квази-плоских волн накачек от дополнительного источника.

Поскольку в реальности приходится иметь дело не с плоским волнами в качестве опорных, а с апертурно-ограниченными гауссовоподобными пучками, то эти апертурные эффекты вносят свои искажения в голографическую запись. Поэтому разрешающая способность обычной опорной (или референтной) голографии определяется поперечным размером референтного пучка. В экзотических случаях в качестве референтной волны может выступать и пространственно-неоднородный пучок (например, в голографии с локальным опорным пучком [52]). В таком варианте степень референтности, определяющая разрешающую способность голограммы, будет определяться соотношением между диаметром сигнального пучка и характерным линейным масштабом пространственной однородности "референтной" волны. На практике это подразумевает такую фокусировку в области регистрации объектной волны в волну, выступающую в качестве референтной, чтобы последняя воспринималась как пространственно однородная для всего сигнального пучка.

С точки зрения голографической идеологии отмеченное выше свойство самонакачиваемости (только подлежащим обращению внешним сигналом) нелинейнооптического зеркала в методе голографического лазера еще не означает, что для голограммы, записываемой только сигнальной волной ЕуЕъ в отсутствии дополнительных опорных волн, заведомо нарушается фундаментальный для классической голографии принцип опорности. Это не так в случае самонакачиваемого лазера, голографическое зеркало которого формируется внешним сигналом с гладкой пространственной структурой пучка, например, гауссова или эрмитова с небольшим поперечным индексом. Этому варианту было посвящено достаточное число теоретических и экспериментльных исследований [16-18, 21, 25, 40-41] ,и ситуация здесь * однозначно сводится к опорной голографии. Как было, в частности, показано в [18], это достигается необходимой фокусировкой волны записи £3, обошедшей петлю обратной связи формируемого кольцевого резонатора, в области нелинейной голографической среды с тем, чтобы вторая волна записи Е\ (непосредственно на входе петлевой схемы) была однородна на масштабе пространственной огибающей пучка Еъ. Такой фокусировкой как раз достигается условие опорности волны Е\ по отношению к волне £3, если рассуждать в терминах обычной голографии. В этом случае апертурные искажения при записи голографической информации о сигнале Е3 будут малы, и поперечная мода голографического резонатора с "нулевым" индексом (то есть наиболее добротная) будет иметь практически обращенную к сигналу структуру волнового фронта. Кроме этого, в [18] впервые наиболее подробно была проанализирована роль самого кольцевого резонатора. В этой связи один из главных практических выводов состоял в том, что с точки зрения теории резонаторов уже при двухкратном подужении пучка Е3 относительно пучка Е\ получаемый голографический резонатор параметрически является аналогом классического неустойчивого резонатора (относительно встречной волны генерации) с высокой дискриминацией следующих за нулевой мод [53]. В принципиальном плане более важен другой вывод, следующий из [18]: для возможности осуществления ОВФ данным методом необходимо обеспечить в каждой конкретной постановке задачи оптимальное согласование голографических принципов и свойств самого кольцевого резонатора, который наряду с голограммой играет не менее важную роль в процессах селекции обращенной компоненты в волне генерации голографического лазера.

Итак, если при обращении гладких пучков проблема ОВФ решается в методе голографического лазера в рамках приближения обычной референтной голографии, то, напротив, для голографического лазера, обращающего существенно неоднородный пучок ситуация не может быть сведена к данному приближению. Для его реализации пришлось бы фокусировать прошедшую по "петле" обратной связи сигнальную волну Ег в область одной спекл-неоднородности входной волны записи Ех. Даже если это позволяют сделать дифракционные ограничения, то сопряженные с этим значительные геометрические потери для волны генерации на выходном голографическом зеркале сформировавшегося сильно-неустойчивого кольцевого резонатора не позволяют осуществить в нем генерационный режим практически. Тем не менее^задача ОВФ спекл-излучения весьма -актуальна, поскольку даже в случае, когда пучок на входе ОВФ-зеркала имеет пространственно многомодовую, но не выраженную явно спекл-структуру, то всегда можно дополнительно "спекловать" его, пропустив через случайную фазовую среду. Таким образом, данная процедура всегда позволяет свести задачу к канонической задаче ОВФ спекл-излучения с гауссовой статистикой в виртуальном ансамбле реализаций сигнальной волны, пропущенной через такую случайную среду [1]. Это делает метод более гибким по возможностям осуществления с его помощью ОВФ лазерных пучков с пространственной структурой разной сложности [54].

Таким образом, при формировании голографического зеркала петлевого лазера спекл-волной свойство самонакачиваемости в методе голографического лазера оборачивается необходимостью иметь дело с нетрадиционной безопорной голограммой. Означенная "безопорность" подразумевает запись голограммы двумя объектными волнами Е\ и обе из которых в равной степени несут в себе информацию о внешнем сигнале, и ни одна из которых при записи не выступает по отношению к другой в качестве опорной. С точки зрения голографической идеологии это означает такой качественно новый тип голограммы, разрешающая способность которой оказывается малочувствительной к пространственной когерентности обеих записывающих голограмму волн.

Интерес к исследованию возможностей такого рода "безопорной" голографии можно было бы объяснить необходимостью поиска нетрадиционных голографических подходов и их использования только в контексте рассматриваемого метода, применяющего голографические принципы с претензией решить достаточно специфическую задачу ОВФ спекл-излучения. Однако, в последние годы в области, непосредственно связанной с голографией, в частности, с объемной или толстослойной (брэгговской) голографией по методу Денисюка, также наблюдается тенденция ухода от канонического принципа опорности [55,56]. Исходной предпосылкой для этого послужило стремление избавиться от дополнительного источника опорной волны, который необходимо "когеренизировать" (речь в данном случае идет о временной когерентности) с сигнальным излучением. Это полностью совпадает с причиной, по которой в ОВФ-технике происходит переход от ВЧВ с опорными волнами от дополнительного лазерного источника к самонакачиваемым петлевым схемам. Промежуточной версией такой голографии явилась так называемая "голография с локальным референтным лучом", идея которой была выдвинута еще в 60-х годах [52,57]. В предложенной голографической схеме референтная волна формируется из излучения, рассеянного самим регистрируемым объектом, и поэтому заведомо остается когерентной по отношению к объектной волне. Идея формировния референтной волны поясняется на рис.2. Очевидным недостатком такой голографии по прежнему оставалась необходимость фактически обеспечивать принцип опорности. Это может достигаться двумя способами: либо уменьшением изображения объекта в области регистрации до размеров маленькой точки в сравненении с масштабом пространственной однородности волны, выступающей в роли референтной (рис2.а.), либо пространственной фильтрацией "референтной" волны с тем, чтобы увеличить в плоскости регистрации размер ее поперечной пространственной когерентности относительно диаметра сигнального пучка (рис.2.б.). "Полезная" интенсивность референтного пучка, то есть реально используемая в голографической записи, в обоих случаях крайне низкая,, в силу чего данная схема не получила дальнейшего развития. Иначе говоря, решая задачу обеспечения временной (или спектральной) когерентности между референтной и объектной волнами, данная методика оставалась чувствительной к пространственной когерентности референтной волны. Таким образом, в данной голографической схеме принцип опорности не исчезал, а трансформировался, подобно тому как он трансформируется в самонакачиваемой петлевой схеме метода голографичекого лазера, если пытаться обеспечить в нем опорность фокусировкой пучка в одну спекл-неоднородность пучка Е\.

Принципиально иная методика регистрации и восстановления безопорной голограммы, которая становится слабо-чувствительной не только к временной когерентности, но и к пространственной неоднородности волны, выступающей в качестве "условно референтной" по отношению к "условно объектной" демонстрируется в работах [55-56]. Рассмотренные в работах [55-56] схемы голографической записи (в сочетании с голограмма

Рис.2. Голографическая схема с "локальным референтным лучом", в которой опорная волна формируется из объектной и референтность достигается а) за счет фокусировки объектной волны в области регистрации в масштаб однородности референтной волны; б) в результате пространственной фильтрации отводимой светоделителем волны. другими оптическими приемами) служат лишь наглядным примером возможностей голографии, в которой нарушается базовый принцип опорности. Однако, в рамках метода голографического лазера получили развитие безопорные голограммы другого типа, чему в том числе способствовала используемая для динамической записи активная нелинейность. Так, эффективное обращение спекл-пучка методом голографического лазера без привлечения принципа опорности первоначально связывалось с селективными способностями так называемой "длинной", или протяженной, голографической среды, которые были обоснованы в работе [27]: считалось, что высоким селективным действием в отношении обращенной волны может обладать только такая голограмма, в которой при записи имеет место "дифракционное перемешивание" спеклов волн записи на толщине голографической среды. Однако, данное приближение сталкивается с определенными трудностями в практической реализации, накладывая жесткие условия на длину голографической среды, которая в этом случае должна многократно превосходить длину дифракционного расплывания характерной спекл-неоднородности сигнального поля.

Для того, чтобы удовлетворить этому дифракционному приближению, необходимо прежде всего увеличивать толщину голографической среды. Это в принципе возможно осуществить (при обеспечении также необходимого интеграла перекрытия между пучками записи Е\- Ез в нелинейной среде), если в качестве голографической нелинейности использовать тепловую, как это, например, было сделано в экспериментах работы [27]. Однако, принципиальные особенности этой нелинейности, которые кратко обсуждаются в одной из глав диссертации, не позволяют в полной мере реализовать потенциальные возможности метода, чем, как представляется, объясняется невысокое качество ОВФ (5-15%) спекл-пучков, эксперименткально достигнутое в работах [26-27]. Если же для записи используется активная нелинейность, с которой в первую очередь связываются возможности рассматриваемого метода с точки зрения его применения для различных активных сред и спектральных диапазонов, то толщина нелинейного зеркала ограничена размерами лазерного элемента. В условиях продольной диодной накачки голографического элемента реальная толщина активной голограммы еще более сокращается, что делает практически невозможным голографическую запись спекл-пучками, если стремиться удовлетворить приближению "длинной" голограммы.

В последние годы в работах [28-29,45,54] были обоснованы и подтверждены экспериментально высокие селективные способности "короткой" безопорной голограммы, толщина которой меньше длин продольной корреляции формирующих ее спекл-пучков, что соответствует недифракционному приближению. Такая голограмма в силу сказанного выше имеет очевидные преимущества перед "длинной", будучи легко реализуемой экспериментально и позволяя эффективно использовать для голографической записи активную нелинейность с учетом новых тенденций в прогрессирующих лазерных технологиях.

Целями настоящей диссертационной работы являлось: -обоснование селективной способности короткой безопорной голограммы, направленной на выделение (из некоррелированных компонент) сопряженной к спекл-сигналу составляющей поля как в считывающей голограмму , так и в рассеиваемой в ее первый порядок волнах;

-изучение механизмов формирования пространственной структуры мод кольцевого голографического лазера в условиях, когда голографическое зеркало записывается^, в одних случаях^ спекл-излучением с однородной поляризацией в пучке, в других случаях,, существенно деполяризованным спекл-сигналом;

- анализ условий, при которых метод голографического лазера обеспечивает ОВФ спекл-излучения с однородной поляризацией и ОВФ деполяризованного излучения; -экспериментальное подтверждение возможностей метода по обращению спекл-неоднородного излучения в голографическом лазере при записи голограммы на решетках усиления в лазерном стекле, активированном N(1 и в УАО:Ш кристалле.

Задачи, решению которых посвящена диссертационная работа, кратко могут быть сформулированы следующим образом:

1. Теоретическое обоснование селективных возможностей короткой (на длине которой несущественно дифракционное расплывание информативных неоднородностей сигнального излучения) безопорной голограммы по выделению из шумов считывающего и рассеянного полей сопряженной к сигнальному излучению волновой компоненты.

2. Расчет пространственных параметров фундаментальной моды голографического лазера с короткой голограммой в скалярном приближении, когда сигнальное спекл-излучение имеет однородную (линейную) поляризацию на поперечном сечении пучка.

3. Экспериментальная реализация ОВФ спекл-неоднородного излучения методом голографического лазера при записи голограммы на нелинейности насыщения усиления в лазерном кристалле УАО:Ш и в неодимовом стекле.

4. Теоретическое и экспериментальное исследование поляризационных особенностей короткой безопорной голограммы, записываемой существенно деполяризованным спекл-излучением; расчет пространственно-поляризационных параметров фундаментальной моды голографического лазера с "двулучепреломляющей" средой в петле обратной связи с целью выяснения условий для векторного ОВФ данным методом.

5. Анализ особенностей активной и тепловой нелинейностей при их использовании для динамической записи голографического зеркала.

Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения.

Заключение диссертации по теме «Квантовая электроника», Яровой, Владимир Викторовитч

Основные результаты, полученные в диссертационной работе, могут быть сформулированы следующим образом:

1. Теоретически и экспериментально обоснованы возможности записываемой спекл-сигналом голограммы по выделению сопряженных к сигналу волновых компонент как в считывающем голограмму, так и в рассеиваемом от нее полях. Определен точный количественный критерий, характеризующий селективную силу недифракционной голограммы, толщина которой меньше длин продольной корреляции записывающих ее спекл-пучков.

2. На основе расчета средних пространственно-энергетических параметров фундаментальной моды кольцевого резонатора с короткой селективной голограммой в зависимости от основных параметров петли обратной связи оптимизированы параметры голографического лазера как по точности ОВФ спекл-неоднородного излучения, так и по энергетике.

3. Определены условия "недифракционного захвата" модой голографического лазера пространственной структуры сигнального спекл-излучения, когда дифракционные эффекты подавлены как в голографическом зеркале (короткая голограмма), так и в петле обратной связи (резонатор с переносом изображения). Проанализированы особенности фундаментальной моды в голографическом резонаторе, отвечающем фраунгоферову приближению.

4. Экспериментально осуществлено ОВФ линейно-поляризованного спекл-излучения (с точностью ОВФ, превышающей 90%) методом голографического лазера с записью голограммы на решетках усиления в лазерном кристалле УАО:Ш и на активном стекле с N(1.

5. Исследованы поляризационные особенности короткой безопорной голограммы и осуществлен расчет пространственно-поляризационной структуры фундаментальной моды в модели голографического лазера, формируемого сильно-деполяризованным спекл-излучением и содержащего двулучепреломляющие элементы в петле обратной связи. Предложена отличная от прежних подходов техника осуществления полного векторного ОВФ, которая предполагает оптимальное согласование параметров безопорной голограммы со свойствами самого петлевого резонатора.

Заключение.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Яровой, Владимир Викторовитч, 2000 год

1. Зельдович Б.Я., Пилипецкий Н.Ф., Шкунов В.В. Обращение волнового фронта.-М.: Наука, 1985.

2. Pepper D.M. Applications of optical phase conjugation. // Scientific American.-1986.- V.254, N.l, P.16-28.

3. Беспалов В.И, Пасманик Г.А. Нелинейная оптика и адаптивные лазерные системы. М.: Наука, 1986.

4. Green R.P.M., Udaiyan D., Crofts G.J., Kim D.H., Damzen M.J. Holographic laser oscillator which adaptively corrects for polarization and phase distortions. // Physical review letters -1996.-V.77, P.3533-3536.

5. Yarovoy V.V. Vector phase conjugation using technique of holographic laser with non-referent "short" hologram. // Technical digest of Conference Advanced High-Power Lasers and Applications, AHPLA'99, Japan, 1999; paper 3889, P. 112.

6. Андреев Н.Ф., Палашов O.B., Хазанов E.A. Четырех-канальный импульсно-периодический YAG:Nd лазер с дифракционно-ограниченным выходным излучением. //Квантовая электроника. 1997,- Т.24, N.7, С.581-585.

7. Antipov O.L., Kuzhelev A.S., Vorob'yov V.A., Zinov'ev A.P. Pulse repetitive Nd:YAG laser with distributed feedback by self-induced population grating. // Optics Communications. -1998- V.152, P.313-318.

8. Matthews S.C., Betin A.A, Mangir M.S., CLEO'96, Technical Digest, V.9, P.510.

9. Половинкин A.B., Саичев А.И. Об эффективности систем фазового сопряжения в турбулентной атмосфере // Радиотехника и электроника. -1985.- Т.30. N.3. С.463-469.

10. Одинцов В.И., Рогачева Л.Ф. Эффективное обращение волнового фронта в режиме параметрической обратной связи // Письма в ЖЭТФ. -1982,- Т. 36, №86 С.281-284.

11. Cronin-Colomb V., Ficher В., White J.O., Yariv A. Passive phase conjugate mirror based on self-induced oscillation in an optical ring cavity // Appl.Phys.Lett. -1983.-V.42, N.ll, P.919-921.

12. Feinberg J. Self-pumped, continuous-wave phase conjugator using internal reflection. // Opt. Lett.-1982,-V.7, N. 10, P.486-488.

13. Yariv A., Pepper D.M. Amplified reflection, phase conjugation and oscillation in degenerate four-wave mixing. // Opt. Lett.-1977.-V. 1, P. 16.

14. Зельдович Б.Я., Поповичев В.И., Рагульский B.B., Файзуллов Ф.С. О связи между волновыми фронтами отраженного и возбуждающего света при вынужденном рассеянии Манделыитама-Бриллюэна. // Письма в ЖЭТФ.-1972,- Т.15, №3.,С.160-164.

15. Бельдюгин И.М., Галушкин М.Г., Земсков Е.М. Обращение волнового фронта светового излучения с использованием обратной связи при четырехволновом взаимодействии//Квантовая электроника. -1984.-T.il, N.5, С. 887-893.

16. Бельдюгин И.М., Галушкин М.Г., Золотарев М.В., Каменец Ф.Ф. Фазовое сопряжение в кольцевом резонаторе с четырехволновым зеркалом // Изв. АН СССР, сер. физ. -1987-T.51,N.2, С.358-361.

17. Бетин А. А., Русов Н.Ю. Структура мод генерации при четырехволновом взаимодействии с обратной связью // Квантовая электроника. -1988,- Т. 15, N.5, С.1021-1031.

18. Tomita А. // Appl. Phys. Lett.-1979.- V.34, Р.464.

19. Бельдюгин И.М., Беренберг В.А., Васильев А.Е., Мочалов И.В., Петникова В.М., Петровский Г. Т., Харченко М.А., Шувалов В.В. Твердотельные лазеры с самонакачивающимися ОВФ-зеркалами в активной среде // Квантовая электроника-1989,-Т. 16, С. 1142-1145.

20. Damzen M.J., Green R.P.M., Crofts G.J. Spatial characteristics of a laser oscillator formed by optically-written holographic gain grating // Optics Comm. -1994,- V. 110, P. 152-156.

21. Бердышев A.B., Курносов A.K., Напартович А.П. Образование амплитудных решеток в среде СО лазера в поле многочастотного излучения // Квантовая электроника, -1994,-Т.21, С.91.

22. Green R.P.M., Crofts G.J., Hubbard W., Udaiyan D., Kim D. H., Damzen M.J. Dynamic laser control using feedback from a gain grating // IEEE Journal of Quant. Electronics.-1996.- V.32, P.371-377.

23. Антипов О.Л., Беляев С.И., Кужелев А.С. Лазерный кристалл с невзаимной обратной связью как параметрическое зеркало, обращающее волновой фронт светового ггучка // Письма в ЖЭТФ.-1994.-Т.60, Вып.З, с. 163-166.

24. Беспалов В.И., Бетин А.А. Пространственная структура излучения лазеров с управляемыми нелинейными зеркалами // Изв. АН СССР, сер.физическая. -1989,- Т.53, N.8,С. 1496-1503.

25. Бетин А.А., Ергаков К.В., Митропольский О.В. Отражение спекл-неоднородного излучения СОг-лазера при четырехволновом взаимодействии с обратной связью // Квантовая электроника. -1994,- Т.21, С. 1-4.

26. Бетин А.А., Кирсанов А.В. Селекция обращенной волны в ЧВОС-генераторе с протяженной нелинейной средой // Квантовая электроника. -1994,- Т.21, N.3, С.237240.

27. Kirsanov A.V., Yarovoy V.V. Selection of a wave phase-conjugated to an input speckled beam in an FWMF-oscillator with a "short" hologram // Optics Comm. -1997,- V.138, P.235241.

28. Yarovoy V.V. Non-diffractive model of capturing a mode of ring laser with holographic mirror by a signal speckle-wave // Optics Comm. -1998,- V.158, P.351-359.

29. Бетин A.A., Ергаков K.B., Митропольский О.В. Исследование самообращения волнового фронта излучения СОг-лазера при четырех-волновом взаимодействии // Письма в ЖТФ.-1988,- Т. 14, Вып. 22, С. 2028-2032.

30. Горячкин Д.А., Калинин В.П., Козловская И.М., Шерстобитов В.Е. Исследование самообращения излучения С02-лазера. // Тезисы докл. 6-ой Всес.конф. "Оптика лазеров"./ ГОИ,- Ленинград, 1990,С.294.

31. Antipov O.L., Kuzhelev A.S., Chausov D.V. Formation of dynamic cavity in a self-starting high-average-power Nd:YAG laser oscillator // Optics Express. -1999,- V.5, N.12, P. 286292.

32. Minassian A., Crofts G.J., Damzen M.J. Self-starting Ti:sapphire holographic laser oscillator // Opt. Lett.-1997,- V.22, N. 10, P.697-699.

33. Udaiyan D., Crofts G.J., Omatsu Т., Damzen M.J. Self-cosistent spatial mode analysis of self-adaptive laser oscillators // J.Opt.Soc. Am.B.-l998,- V. 15.,N.4, P. 1346-1352.

34. Баранова Н.Б., Зельдович Б Я., Шкунов В.В. Обращение волнового фронта при вынужденном рассеянии света в сфокусированном пространственно-неоднородном пучке накачки//Квантовая электроника. -1978.-Т.5, С.973.

35. Бельдюгин И.М., Галушкин М.Г., Земсков Е.М., Мандросов В.И. О комплексном сопряжении полей при ВРМБ // Квантовая электроника. -1976.-Т.З, С.2467.

36. Бетин А.А., Митропольский О.В. Генерация излучения при четырехволновом взаимодействии в схеме с обратной связью в диапазоне длины волны 10 мкм // Квантовая электроника. -1987.-Т.14, N.5, С.1002-1008.

37. Бердышев А.В., Бородин A.M., Гурашвили В.А., Киселев Е.А., Кузьмин В.Н., Курносов А.К., Морозов В.В., Напартович А.П., Туркин Н.Г. ОВФ излучения на инверсной среде электроионизационного СО лазера // Квантовая электроника. -1996,-Т.23, С.47.

38. Antipov O.L., Belyaev S.I., Kuzhelev A.S. Self-pumped phase conjugation of the heterogeneous light beam in the inverted Nd:YAG-rod with nonreciprocal feedback // Optics Comm. -1995.-V. 117, P.290-294.

39. Ергаков K.B., Яровой B.B. Энергетическая оптимизация ЧВОС-генератора на YAG.Nd и исследование его адаптивных свойств в импульсно-периодическом режиме // Квантовая электроника. -1996,- Т.23, N.5, С.399-404.

40. Бетин А.А., Кирсанов А.В. Пространственная структура излучения ЧВОС-генератора на неодимовом стекле // Квантовая электроника. -1992.- Т. 19, N.8, С. 774-777.

41. Андреев Н.Ф., Кулагин О.В., Палашов О.В., Пасманик Г.А., Хазанов Е.А. Влияние поглощения гиперзвука на работу ВРМБ-зеркала в импульсно-периодическом режиме // Квантовая электроника. -1994,- Т.21, С. 1058.

42. Marshall C.D., Smith L.K., Sutton S., Emanuel M.A., Schaffers K.I., Mills S., Payne S.A., Krupke W.F., Chai B.H.T. // Technical Digest of Conference CLEO'96. -1996,- V.9, P.322.

43. Галушкин М.Г., Митин K.B., Свиридов К.А. Четырех-волновое взаимодействие на тепловой нелинейности в активных средах твердотельных лазеров // Квантовая электроника. -1994,- Т. 21, N.12, С. 1157-1159.

44. Yarovoy V.V. Phase-conjugation of speckle-radiation from pulse-periodic YAG:Nd oscillator with holographic mirror // Proceedings of SPIE to Conference Laser Optics '98, St.Petersburg, 1998 ,V.3684, P.70-79.

45. Brignon A., Feugnet G., Huignard J.-P., Pocholle J.-P. Efficient degenerate four-wave mixing in a diode-pumped microchip Nd: YV04 amplifier // Optics Letters. -1995,- V.20, P.548-550.

46. Антипов О.Л., Беляев С.И., Кужелев А.С. Вынужденное резонансное рассеяние световых волн в лазерных кристаллах с инверсией населенностей // Письма в ЖЭТФ. -1996,- Т.63, N.1, С.13-18.

47. Антипов О.Л., Беляев СИ., Кужелев А.С. Обращение волнового фронта светового пучка в усилителе на кристалле Nd:YAG с обратной связью // Изв. РАН, Сер. физ,1995,- Т.59, Вып.12, С.170-176.

48. Crofts G.J., Green R.P.M., Damzen M.J. Investigation of multipass geometries for efficient degenerate four-wave mixing in Nd:YAG//Optics Lett. -1992.-V.17, N.13, P.920-922.

49. Brignon A., Huignard J.-P. Transient analysis of degenerate four-wave mixing in saturable absorbers: application to Cr4+: GSGG at 1.06 mm // Optics Commun. -1994,- V.110, P.717-726.

50. Green R.P.M., Camacho-Lopez S., Damzen M.J. Experimental investigation of vector phase conjugation inNd:YAG// Optics Lett. -1996.- V.21, N.16, P. 1214-1216.

51. Колфилд Г.(под редакцией) Оптическая голография (в 2-х томах)- М: Мир, 1982.

52. Ананьев Ю.А. Оптические резонаторы и проблема расходимости лазерного излучения,- М: Наука, 1979.

53. Кирсанов А.В., Яровой В.В. ОВФ спекл-неоднородного пучка ЧВОС-генератором на стекле с Nd // Квантовая электроника. -1997,- Т.24, С.245-250.

54. Ганжерли Н.М., Денисюк Ю.Н. Получение трехмерных изображений с использованием селектограмм и дифракционных решеток // Оптика и спектроскопия (раздел Голография). 1995,- Т.79, N.4, С.670-674.

55. Денисюк Ю.Н., Савостьяненко Н.А. Получение трехмерных изображений посредством безопорной селектограммы, записанной в толстослойной среде // ЖТФ.1996,- Т.66, N.7,C. 104-115.

56. Caulfield H.J., Harris J.I, Cobb J.G. //Proc IEEE -1967.-V.55, P. 175.

57. Ахманов С.А., Дьяков Ю.Е., Чиркин AC. Введение в статистическую радиофизику и оптику-М.:Наука, 1981.

58. Damzen M.J., Matsumoto Y., Crofts G.J., Green R.P.M. Bragg-selectivity of a volume gain grating // Optics Commun. -1996,- V.123, P. 182-188.

59. Блащук B.H., Зельдович Б.Я., Шкунов В.В. Четырехволновое обращение волнового фронта в поле кодированных опорных волн // Квантовая электроника -1980,-Т.7,С.2559.

60. Зельдович Б.Я., Шкунов В.В. Спеклон // Изв.АН СССР, сер.физ.-1984.-Т.48, N.8,С. 1545-1556.

61. Бетин А.А., Жуков Е.А., Митропольский О.В., Русов Н.Ю. Обращение и самообращение излучения СОг лазера при четырехволновом взаимодействии в поглощающих жидкостях // Тезисы конференции по ОВФ лазерного излучения в нелинейных средах. Минск, 1987, С.5-21.

62. Звелто О.Принципы лазеров. -М:Мир,1990.

63. Antipov O.L.,Belyaev S.I., Kuzhelev A.S. Resonant two-wave mixing of optical beams by refractive index and gain gratings in inverted Nd:YAG // Journal of Optical Society of America B,. 1998, V. 15, N8.

64. Yarovoy V.V. Polarization properties of a "short" non-reference hologram in a ring holographic laser // Optics Comm.-1999.- V. 172, P.253-270.

65. Блащук B.H., Зельдович Б.Я., Мамаев A.B., Пилипецкий Н.Ф., Шкунов В.В. Полное обращение волнового фронта деполяризованного излучения при вырожденном четырехфотонном взаимодействии (теория и эксперимент).// Квантовая электроника. -1980.-, Т.7, С.627.

66. Глазков Д.А., Зубарев И.Г., Михайлов С.И. ОВФ деполяризованного излучения // Сб. докладов к конференции "ОВФ лазерного излучения в нелинейных средах", Минск, 1990, С. 201-206.

67. Syed К. S.,Crofts G.J, Green R.P.M., Damzen M.J. Vectorial phase conjugation via four-wave mixing in isotropic saturable-gain media// J.Opt. Soc. Am.B 1997. V. 14, N.8, P.2067-2078.

68. Блащук B.H., Зельдович Б.Я., Крашенинников В.Н., Мельников Н.А., Пилипецкий Н.Ф., Рагульский В.В., Шкунов В.В. Вынужденное рассеяние деполяризованного излучения.//ДАНСССР,-1978.-Т. 241, С. 1322.

69. Андреев Н.Ф., Палашов О.В., Пасманик Г.А., Хазанов Е.А. Особенности фазировки двух ортогонально поляризованных лазерных пучков с малой энергией // Квантовая электроника. -1998,- Т.25, С. 160-162.