Пространственная структура излучения при синхронизации поперечных мод в лазерах с продольной накачкой
Диссертация
Эксперименты показывают, что существует ряд так называемых критических конфигураций резонатора, в которых при накачке узким пучком наблюдаются заметные отличия пространственной структуры излучения от гауссовой, в то время как при достаточной отстройке от критических конфигураций пространственная структура излучения близка к гауссовой. Существование критических конфигураций связывается… Читать ещё >
Содержание
- ГЛАВА 1. Состояние исследований пространственной структуры излучения лазеров с продольной накачкой
- 1. 1. Особенности лазеров с продольной накачкой
- 1. 1. 1. Схема продольной оптической накачки
- 1. 1. 2. Соотношение между диаметрами моды и накачки
- 1. 1. 3. Профилированное усиление и механизм искажения пространственной структуры излучения
- 1. 2. Подходы к описанию лазеров с продольной накачкой
- 1. 2. 1. Приближение амплитудного экрана
- 1. 2. 2. Методы расчета пространственной структуры излучения
- 1. 2. 3. Способы характеризации пространственной структуры
- 1. 3. Синхронизация поперечных мод в лазерах с продольной диодной накачкой
- 1. 1. Особенности лазеров с продольной накачкой
- ГЛАВА 2. Структура основной моды аксиально-симметричных лазеров с устойчивыми резонаторами при пространственно неоднородном усилении
- 2. 1. Постановка задачи
- 2. 1. 1. Модельный резонатор
- 2. 1. 2. Итерационный метод Фокса-Ли, система уравнений
- 2. 1. 3. Параметр |/?о|2 как характеристика основной моды
- 2. 2. Результаты расчёта зависимости |/?о|2 от параметров конфигурации g
- 2. 3. Структура основной моды в критических конфигурациях
- 2. 4. Обсуждение результатов
- 2. 4. 1. Физическая интерпретация на основе фазовых набегов
- 2. 4. 2. Разложение по системе лагерр-гауссовых функций
- 2. 5. Структура основной моды в резонаторе некритической конфигурации и в случае внутрирезонаторной диафрагмы
- 2. 6. Краткие итоги
- 2. 1. Постановка задачи
- ГЛАВА 3. Влияние параметров пространственно неоднородного усиления на основную моду в окрестности критических конфигураций
- 3. 1. Влияние коэффициента и степени неоднородности усиления
- 3. 2. Матричное представление взаимодействия пучковых мод при пространственно неоднородном усилении
- 3. 3. Аналитическая модель двух взаимодействующих пучков
- 3. 4. Определение пороговых значений параметров, обеспечивающих синхронизацию поперечных мод
- 3. 4. 1. Случай строгого вырождения
- 3. 4. 2. Случай отстройки от строгого вырождения
- 3. 5. Краткие итоги
- ГЛАВА 4. Пространственная структура излучения при синхронизации поперечных мод в лазере с астигматическим резонатором
- 4. 1. Экспериментальная установка
- 4. 2. Распределения интенсивности выходного излучения при различных длинах резонатора
- 4. 3. Численная модель расчета пространственной структуры излучения лазера с нарушенной аксиальной симметрией
- 4. 3. 1. Представление распределений комплексной амплитуды
- 4. 3. 2. Элементарные оптические системы
- 4. 3. 3. Составные оптические системы
- 4. 3. 4. Расчет мод резонатора
- 4. 4. Результаты расчета, сравнение с экспериментом и обсуждение
- 4. 5. Особенности фокусировки излучения, формируемого при синхронизации поперечных мод
- 4. 5. 1. Изучаемые пучки
- 4. 5. 2. Экспериментальная регистрация продольных оптических ландшафтов
- 4. 5. 2. Обсуждение
- 4. 6. Симметрия пространственной структуры излучения при синхронизации поперечных мод в условиях астигматизма резонатора
- 6. 6. 1. Условия реализации круговой симметрии и ее нарушения
- 4. 6. 2. Численное моделирование распределений интенсивности для различных коэффициентов пропускания выходного зеркала
- 4. 6. 3. Экспериментальная проверка
- 4. 7. Краткие итоги
- ГЛАВА 5. Особенности фокусировки излучения диодных линеек с волоконным выводом и структура излучения компактного Nd: YLF^a3epa
- 5. 1. Пространственное распределение интенсивности излучения диодных линеек с волоконным выводом и расчет инверсии в схеме продольной накачки твердотельных лазеров
- 5. 1. 1. Пространственное и угловое распределения излучения на выходе световода
- 5. 1. 2. Моделирование распространения пучка накачки
- 5. 1. 3. Экспериментальная регистрация распределений интенсивности накачки
- 5. 2. Пространственная структура излучения компактного Nd: YLF-na3epa с накачкой мощным одиночным лазерным диодом
- 5. 2. 1. Схема компактного лазера
- 5. 2. 2. Пространственная структура излучения в случаях кристаллов Nd: YLF и Nd: YAG
- 5. 3. Краткие итоги
- 5. 1. Пространственное распределение интенсивности излучения диодных линеек с волоконным выводом и расчет инверсии в схеме продольной накачки твердотельных лазеров
Список литературы
- D.W. Hughes, J.R.M. Barr, «Laser diode pumped solid state lasers», Journal of Physics D: Applied Physics, 25, 563−586 (1992).
- H.B. Кравцов, «Основные тенденции развития твердотельных лазеров с полупроводниковой накачкой», Квантовая электроника, 31(8), 661−677 (2001).
- J. Zehetner, «Highly efficient diode-pumped elliptical mode Nd: YLF laser», Optics Communications, 117, 273−276 (1995).
- S. Fujikawa, K. Furuta, K. Yasui, «28% electrical-efficiency operation of a diode-side-pumped NdrYAG rod laser», Optics Letters, 26(9), 602−604 (2001).
- A. Minassian, B. Thompson, M.J. Damzen, «Ultrahigh-efficiency ТЕМ00 diode-side-pumped Nd: YV04 laserv>, Applied Physics В, 76, 341−343 (2003).
- M.O. Ramirez, D. Jaque, J.A. Sanz Garcia, L.E. Bausa, J.E. Muniz Santiuste, «74% slope efficiency from a diode-pumped Yb3+:LiNb03:Mg0 laser crystal», Applied Physics B, 77, 621−623 (2004).
- D.J. Ripin, J.R. Ochoa, R.L. Aggarwal, T.Y. Fan, «165-W cryogenically cooled Yb: YAG laser», Optics Letters, 29(18), 2154−2156 (2004).
- P. Laporta, M. Brussard, «Design Criteria for Mode Size Optimization in Diode-Pumped Solid-state Lasers», IEEE Journal Of Quantum Electronics, 27(10), 2319−2326(1991).
- F. Sanches, M. Brunei, K. Ait-Ameur, «Pump saturation effects in end-pumped solid-state lasers». Journal of the Optical Society of America B, 15(9), 2390−2394(1998).
- F.E.Carroll, «Tunable Monochromatic X Rays: A New Paradigm in Medicine», American Journal of Roentgenology, 179, 583−590 (2002).
- R.J. Loewen, SLAC-R-632, Ph. D Thesis. Stanford, CA: Stanford University Press (2003).
- A. Agafonov, V. Androsov, J.I.M. Botman et al., «Status of Kharkov x-ray generator NESTOR», Proceedings of SPIE, 5917, 97−104, (2005).
- Н.П. Вагин, П. Г. Крюков, Ю. П. Подмарьков, М. П. Фролов, Н. Н. Юрышев, «Эффективная генерация лазера на кристалле MgF2: Co при накачке излучением импульсного кислородно-иодного лазера», Квантовая электроника, 25(4), 299−300 (1998).
- Р.Ю. Абдулсабиров, С. Л. Кораблева, П. Г. Крюков, А. К. Наумов, Ю. П. Подмарьков, В. В. Семашко, М. П. Фролов, «Эффективная лазерная накачка кристалла MgF2: Co излучением с длиной волны 1.3 мкм», Квантовая электроника, 24(7), 606−608 (1997).
- C.J. Flood, G. Guiliani, H.M. van Driel, «Preferential operation of an end-pumped Nd: YAG laser in high-order Laguerre-Gauss modes», Optics Letters, 15(4), 215−217 (1990).
- Q. Zhang, B. Ozygus, H. Weber, «Degeneration effects in laser cavities», The European Physical Journal Applied Physics, 6, 293−298 (1999).
- H.-H. Wu, C.-C. Sheu, T.-W. Chen, M.-D. Wei, W.-F. Hsieh, «Observation of power drop and low threshold due to beam waist shrinkage around critical configurations in an end-pumped Nd: YV04 laser», Optics Communications, 165, 225−229(1999).
- G. Martel, C. Labbe, F. Sanches, M. Fromager, K. Ait-Ameur, «Non-Gaussian fundamental mode laser oscillation in and-pumped Nd: YV04 microchip laser», Optics Communications, 201, 117−127 (2002).
- Ю.А. Ананьев, «О многопроходных, «V-образных» и прочих модах оптических резонаторов», Оптика и спектроскопия, 64(3), 650−652 (1988).
- A. Ashlcin, J. М. Dziedzic, Т. Yamane, «Optical trapping and manipulation of single cells using infrared laser beams». Nature, 330(6150), 769−771 (1987).
- D.G.Grier, «А revolution in optical manipulation», Nature, 424, 810−816 (2003).
- П.Г. Крюков, «Лазеры ультракоротких импульсов», Квантовая электроника, 31(2), 95−119 (2001).
- R. Pashotta, J. Aus der Au, G.J. Sp’uhler, F. Morier-Genond, R. Hovel, M. Moser, S. Erhard, M. Korszewski, A. Griesen, U. Keller, «Diode-pumped passively mode-locked lasers with high average power», Applied Physics В., 70Supplement., S25-S31 (2000).
- B. Ortac, O. Schmidt, T. Schreiber, J. Limpert, A. Tunnermann, and A. Hideur, «High-energy femtosecond Yb-doped dispersion compensation free fiber laser», Optics Express, 15, 10 725−10 731 (2007).
- A. Agnesi, S. Dell’Acqua, «High-peak-power diode-pumped passively Q-switched Nd: YV04 laser» Applied Physics B., 76, 351−354 (2003).
- D.N. Papadopoulos, S. Forget, M. Delaigue, F. Druon, F. Balembois, P. Georges, «Passively mode-locked diode-pumped Nd: YVC>4 oscillator operating at an ultralow repetition rate», Optics Letters, 28(19), 1838−1840 (2003).
- A. Giesen, H. Hugel, A. Voss, K. Wittig, U. Brauch, H. Opower, «Scalable concept for diode-pumped high-power solid-state lasers», Applied Physics B, 58, 365−372 (1994).
- D.C. Hanna, C.G. Sawyers, M.A. Yuratich, «Telescopic resonators for large-volume TEMoo-mode operation», Optical and Quantum Electronics, 13, 493 507 (1981).
- A.E. Siegman, «Unstable optical resonators», Applied Optics, 13(2), 353−367 (1974).
- Y. Chen, T. Liao, C. Kao, T. Huang, K. Lin, S. Wang, «Optimization of fibercoupled laser-diode end-pumped lasers: influence of pump-beam quality», IEEE Journal of Quantum Electronics, 32(11), 2010−2016 (1996).
- X Zhang, S. Zhao, Q. Wang, B. Ozygus, H. Weber, «Modeling of diode-pumped actively Q-switched lasers» IEEE Journal of Quantum Electronics, 35(12), 1912−1918 (1999).
- F. Hajiesmaeilbaigi, A. Koohian, M. Mahdizadeh, «Design criteria in fibre-coupled end-pumped laser with small active medium», Journal of Optics A: Pure and Applied Optics, 4(1), 52−56 (2002).
- D.G. Hall, R.J. Smith, R.R. Rice, «Pump-size effects in Nd: YAG lasers» Applied Optics, 19, 3041−3043 (1980).
- Y.F. Chen, C.F. Kao, S.C. Wang, «Analytical model for the design of fibercoupled laser-diode end-pumped lasers» Optics Communications, 133, 517−524(1997).
- Ю.А. Ананьев, Оптические резонаторы и лазерные пучки. М.: Наука, 1990.
- N. Hodgson, В. Ozygus, F. Schabert, Н. Weber, «Degenerated confocal resonator», Applied Optics, 32(18), 3190−3200 (1993).
- A.E. Siegman, E.A. Sziklas, «Mode Calculations in Unstable Resonators with Flowing Saturable Gain. 1: Hermite-Gaussian Expansion», Applied Optics, 13(12), 2775−2791 (1974).
- A.E. Siegman, E.A. Sziklas, «Mode calculations in unstable resonators with flowing saturable Gain. 2: Fast Fourier transform method», Applied Optics, 14(8), 1874−1889 (1975).
- C.-H. Chen, P.-T. Tai, W.-F. Hsieh, «Multibeam-waist modes in an end-pumped Nd: YV04 laser», Journal of the Optical Society of America B, 20(6), 1220−1226 (2003)
- C.F. Maes, E.M. Wright, «Mode properties of an external-cavity laser with Gaussian gain», Optics Letters, 29(3), 229−231 (2004).
- C.H. Chen, P.T. Tai, W.H. Chiu, W.F. Hsieh, «Transverse excess noise factor and transverse mode locking in a gain-guided laser», Optics Communications, 245, 301−308 (2005).
- А.А. Малютин, «Моды плоскосферического резонатора лазера с гауссовым распределением усиления активной среды», Квантовая электроника, 37(3), 299−306 (2007).
- В.П. Быков О. О. Силичев, Лазерные резонаторы, ФИЗМАТЛИТ, 2004
- A.E. Siegman, Lasers, University Science Books, Mill Valley, Califorina, 1986.
- M.A. Bandres and J.C. Gutierrez-Vega, «Ince-Gaussian beams», Optics Letters, 29(2), 144−146, (2004).
- А. Джеррард, Дж.М. Берч, Введение в матричную оптику. М.: Мир, 1978.
- A.G. Fox, Т. Li, «Resonant Modes in a Maser Interferometer», Bell System Technical Journal, 40, 453−488 (1960).
- H. Kogelnik, T. Li, «Laser Beam and Resonators», Applied Optics, 5, 1550−1567(1966)
- P. Baues, «Huygens' Principle in Inhomogeneous Isotropic Media and a General Integral Equation Applicable to Optical Resonators», Opto-Electrinics, 1, 37−44 (1969).
- S.A. Collins, «Lens-System Diffraction Integral Written in Terms of Matrix Optics», Journal of the Optical Society of America B, 60(9), 1168−1177 (1970).
- H. Statz, C.I. Tang, «Problem of Mode Deformation in Optical Masers», Journal of Applied Physics, 36, 1816−1819 (1965).
- T. Li, J.G. Skinner, «Oscillating Modes in Ruby Lasers with Non-uniform Pumping Energy Distribution», Journal of Applied Physics, 36, 2595−2596 (1965).
- B.B. Любимов, «О получении предельно узкой направленности излучения оптических квантовых генераторов», Оптика и спектроскопия, 21(2), 224−227 (1966)
- G. Stephan, М. Trumer, «Inhomogeneity effects in a gas laser», Physical Review A, 28(4), 2344−2362 (1983).
- L.Y. Wang, G. Stephan, «Transverse modes of an apertured laser», Applied Optics, 30(15), 1899−1910 (1991).
- L.Y. Wang, G. Stephan, «Asymmetric Mode of an Off-axis Diaphragmed Laser», Journal of Modern Optics, 38(10), 1947−1956 (1991).
- Ю.А. Ананьев, «Угловое расхождение излучения твердотельных лазеров», Успехи физических наук, 103(4), 705−738 (1971).
- О.О. Силичев, «Гауссова оптика резонаторов, содержащих негауссовы оптические элементы» Квантовая электроника, 17(6), 792−796 (1990).
- ISO 11 146−1:2005(E), «Lasers and laser-related equipment — Test methods for laser beam widths, divergence angles and beam propagation ratios — Part 1: Stigmatic and simple astigmatic beams».
- J. Frauchiger, P. Albers, H.P. Weber, «Modeling of Thermal Lensing and Higher Order Ring Mode Oscillation in End-Pumped CW Nd Lasers», IEEE Journal of Quantum Electronics, 28(4), 1046−1056 (1992).
- Г. Д. Лаптев, A.A. Новиков, A.C. Чиркин, «Пространственные и энергетические характеристики лазерного излучения и второй гармоники при самоудвоении частоты», Квантовая Электроника, 35(1), 12−20 (2005).
- R. Paschotta, «Beam quality deterioration of lasers caused by intracavity beam distortions», Optics Express, 14(13), 6069−6074 (2006).
- B. Ozygus, Q. Zhang, «Thermal lens determination of end-pumped solid-state lasers using primary degeneration modes», Applied Physics Letters, 71(18), 2590−2592 (1997).
- I.A. Ramsay, J.J. Degnan, «A Ray Analysis of Optical Resonators Formed by Two Spherical Mirrors», Applied Optics, 9(2), 385−398 (1970).
- J.J. Degnan, «А Compact, Totally Passive, Multi-Pass Slab Laser Amplifier Based on Stable, Degenerate Optical Resonators», Proceeding of 14th International Workshop on Laser Ranging, San Fernando, Spain, 7−11 June 2004.
- С.Б. Горячев, П. В. Короленко, А. Г. Новоселов, С. А. Степина, В. Ф. Шарков, «Модовый состав и расходимость излучения газодинамического СОг-лазера с широкоаппертурным устойчивым резонатором», Письма в ЖТФ, 10(7), 429−433 (1984).
- П.В. Короленко, А. Г. Новоселов, С. А. Степина, В. Ф. Шарков, «Формирование узконаправленных выходных пучков в широкоаппертурных резонаторах с селекцией многоходовых мод», Квантовая электроника, 13(12), 2546−2549 (1986).
- J. Dingjan, M.P. van Exter, J.P. Woerdman, «Geometric modes in a single-frequency Nd: YV04 laser», Optics Communications, 188, 345−351 (2001).
- Y.F. Chen, C.H. Jiang, Y.P. Lan, K.F. Huang, «Wave representation of geometrical laser beam trajectories in a hemiconfocal cavity», Physical Review A, 69, 53 807 (2004).
- D.H. Auston, «Transverse mode locking», IEEE Journal of Quantum Electronics (Correspondence), QE-4, 420−422 (1968).
- В.П. Быков, A.M. Прохоров, В. В. Савранский, «Особенности синхронизации мод в полуконфокальном резонаторе», Квантовая электроника, 24(9), 837−839 (1997).
- G.O. Harding, Т. Li, «Effect of Mode Degeneracy on Output of Gaseous Optical Masers», Journal Of Applied Physics, 35(3), 475−478 (1964).
- M.B. Горбунков, П. В. Кострюков, JI.C. Телегин, В. Г. Тункин, Д. В. Яковлев, «Особенности структуры основной моды лазеров с устойчивыми резонаторами при пространственно неоднородном усилении», Квантовая электроника, 37(2), 173−180 (2007).
- П.В .Кострюков, «Расчет основной моды резонатора пикосекундного твердотельного лазера с продольной диодной накачкой», Труды четвертой международной конференции молодых ученых и специалистов «0птика-2005», стр. 350−351.
- M.V.Gorbunkov, P.V.Kostryukov, V.G.Tunkin, «Fundamental mode structure of lasers with stable cavities and nonuniform spatial gain distribution», The Third Conference on Laser Optics for Young Scientists (LOYS 2006), Technical Digest, p.31.
- J.P. Gordon, H. Kogelnik, «Equivalence Relations among Spherical Mirror Optical Resonators», Bell System Technical Journal, 43, 2873−2886 (1964).
- J. Chen, M. Fujita, M. Asakawa, K. Imasaki, S. Nakai, C. Yamanaka, «Calculation of a transverse optical mode and diffraction loss in a supercavity», Optics Communications, 119, 563−568 (1995).
- M. Piche, P. Lavigne, F. Martin, P. A. Belanger, «Modes of resonators with internal apertures», Applied Optics, 22(13), 1999−2006 (1983).
- J. Steffen, J.-P. Lortscher, G. Herziger, «Fundamental Mode radiation With Solid-State Lasers», IEEE Journal of Quantum Electronics, 8(2), 239−245 (1972).
- M.B. Горбунков, П. В. Кострюков, В. Г. Тункин, «Влияние параметров резонатора и пространственно неоднородного усиления на пространственную структуру основной моды лазеров с устойчивыми резонаторами», Квантовая электроника, 38(7), 689−694 (2008).
- V.V. Bezotosnyi, Е.А. Cheshev, M.V. Gorbunkov, P.V. Kostryukov, V.G. Tunkin, «Transverse Mode Locking in a Diode End-Pumped Laser with Frequency Degenerate Resonator», ICONO/LAT 2007 Technical Digest, L01−36.
- C.A. Ахманов, С. Ю. Никитин, Физическая оптика, Издательство Московского университета, 1998.
- V.V. Bezotosnyi, Е.А. Cheshev, M.V. Gorbunkov, P.V. Kostryukov, V.G. Tunkin, «Manifestation of active medium astigmatism at transverse mode locking in a diode end-pumped stable resonator laser», Applied Optics, 47(20), 3651−3657(2008).
- V.V.Bezotosniy, E.A.Cheshev, M.V.Gorbunkov, P.V.Kostryukov, V.G.Tunkin, «Transverse mode locking in a diode end-pumped Nd: YAG laser with different resonator lengths», International conference «Laser Optics -2008», ThRl-p40, (2008)
- Г. Корн, Т. Корн, Справочник по математике для научных работников и инженеров. М., 1978.
- A. Kostenbauder, Y. Sun, А.Е. Siegman, «Eigenmode expansions using biortogonal functions: complex-valued Hermite-Gaussians», Journal of the Optical Society of America В, 14(8), 1780−1790(1997).
- Y.-J. Cheng, C.G. Fanning, A.E. Siegman, «Transverse-mode astigmatism in a diode-pumped unstable resonator Nd: YV04 laser», Applied Optics, 36(6), 1130−1134 (1997).
- E.M. Wright, J. Arlt, K. Dholakia, «Toroidal optical dipole traps for atomic Bose-Einstein condensates using Laguerre-Gaussian beams», Physical Review A, 63,1 3608(2000).
- G.Milne, K. Dholakia, D. McGloin, K. Volke-Sepulveda, P. Zemanek, «Transverse particle dynamics in a Bessel beam», Optics Express, 15(21), 13 972−13987(2007).
- Y.B. Ovchinnikov, «Coherent manipulation of atoms by copropagating laser beams», Physical Review A, 73, 33 404 (2006).
- H. Laabs, B. Ozygus, «Excitation of Hermite Gaussian modes in end-pumped solid-state laser via off-axis pumping», Optics & Laser Technology, 28(3), 213−214(1996).
- Y.F. Chen, T.M. Huang, C.F. Kao, C.L. Wang, S.C. Wang, «Generation of Hermite-Gaussian Modes in Fiber-Coupled Laser-Diode End-Pumped Lasers», IEEE Journal of Quantum Electronics, 33(6), 1025−1031 (1997).
- Y.F. Chen, Y.P. Lan, «Laguerre-Gaussian modes in a double-end-pumped microchip laser: superposition and competition», Journal of Optics B: Quantum and Semiclassical Optics, 3, 146−151 (2001).
- J.-F. Bisson, Yu. Senatsky, Ken-Ichi Ueda, «Generation of Laguerre-Gaussian modes in Nd: YAG laser using diffractive optical pumping», Laser Physics Letters, 2(7), 327−333 (2005).
- J. Arlt and M.J. Padgett, «Generation of a beam with a dark focus surrounded by regions of higher intensity: the optical bottle beam», Optics Letters, 25, 191−193 D (2000).
- C.-H. Chen, P.-T. Tai, W.-F. Hsieh, «Bottle beam from a bare laser for single-beam trapping», Applied Optics, 43(32) 6001−6006 (2004).
- D.C. Hanna, «Astigmatic Gaussian Beams Produced by Axially Asymmetric Laser Cavities», IEEE Journal of Quantum Electronics, 5(10), 483−488 (1969).
- J.J. Soto-Bernal, Е. Rosas, V. Pinto-Robledo, V. Aboites, M.J. Damzen, «Spatial mode size analysis of a diode-side-pumped Nd: YV04 laser resonator», Optics Communications, 184, 201−207 (2000)
- J.L. Blows, G.W.Forbes, J.M.Dawes, «Cavity modes in diode-array end-pumped planar lasers with aberrated thermal lenses», Optics Communications, 186, 111−120(2000).