Исследование яркостных характеристик параметрических генераторов света при вне- и внутрирезонаторной генерации

ИССЛЕДОВАНИЕ ЯРКОСТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК

ПАРАМЕТРИЧЕСКИХ ГЕНЕРАТОРОВ СВЕТА ПРИ ВНЕ- И ВНУТРИРЕЗОНАТОРНОЙ ГЕНЕРАЦИИ

В.В. Назаров, Л.В. Хлопонин, В.Ю. Храмов

Проведены численные исследования яркостных характеристик излучения параметрического генератора света (ПГС) при размещении ПГС внутри и вне резонатора лазера накачки. Показано, что использование внерезонаторной накачки позволяет достичь более чем пятикратного увеличения яркости излучения параметрической генерации при условии оптимизации резонатора ПГС.

Введение

В настоящее время в дальнометрии, системах оптической связи, при проведении лидарных исследований широкое применение нашли лазерные излучатели, включающие ПГС, что позволяет получать излучение генерации в диапазоне 1.5-2 мкм [1-3]. Для ряда применений требуются источники ИК-излучения, имеющие частоту повторения импульсов в диапазоне 1-3 кГц и среднюю мощность генерации более 1 Вт. Необходимым условием эффективного преобразования накачки в ПГС является высокий уровень плотности мощности излучения накачки, требуемой для возбуждения генерации в активном элементе ПГС [4]. Ранее в наших работах мы рассматривали вариант создания лазерной системы, удовлетворяющей вышеприведенным требованиям и использующей размещение ПГС внутри резонатора лазера накачки [5, 6]. Подобная схема, тем не менее, не обеспечивала достаточно высокие значения энергии импульса параметрического излучения на частоте сигнальной волны вследствие обратного сильного воздействия ПГС на условия генерации излучения накачки. Повысить энергию импульса и яркость выходного излучения представляется возможным в случае внерезона-торной схемы накачки ПГС при сохранении высокой частоты следования импульсов.

Целью настоящей работы является проведение численных исследований, направленных на изучение яркостных характеристик параметрической генерации при внутри-резонаторном и внерезонаторном размещении ПГС.

Модели моноимпульсных твердотельных лазерных систем, включающих ПГС

В ходе численного моделирования были рассмотрены два варианта моноимпульсных лазерных систем (рис. 1). Резонатор лазера накачки с внутрирезонаторным ПГС (рис 1а) включает глухое сферическое зеркало с радиусом кривизны -0.5 м и выходное сферическое зеркало с радиусом кривизны +0.5 м, база резонатора равна 1.4 м. Выходное зеркало с коэффициентом отражения 99% на длине волны излучения накачки 1.047 м имеет минимальный коэффициент отражения для длин волн 1.54 мкм и 3.27 мкм. Для учета наведенных тепловых линз в активных элементах в резонаторе размещена компенсирующая линза. Диафрагма диаметром 1.8 мм установлена в резонаторе для получения квазиодномодового излучения накачки. Параметры расчетной схемы максимально соответствовали параметрам схемы, использовавшейся нами при проведении численных и экспериментальных исследований [5, 6].

Резонатор ПГС размещался вблизи перетяжки каустики пучка накачки, что позволило при проведении расчетов воспользоваться коллинеарной схемой трехволново-го взаимодействия излучения накачки, сигнальной и холостой волн. Резонатор ПГС был образован вогнутыми сферическими зеркалами, кривизна которых при проведении расчетов варировалась. База резонатора составляла 0.07 м. Глухое зеркало резонатора имело максимальный коэффициент отражения на длине волны сигнала 1.54 мкм. Коэффициент отражения выходного зеркала на длине волны сигнала варьировался. Коэф-

фициенты отражения обоих зеркал для холостой волны составляли ~20%, что обеспечивало однорезонаторный режим параметрической генерации. Процесс параметрической генерации осуществлялся в кристалле КТР размерами 4x4x40 мм, который находился в центре резонатора.

Эквивалентная оптическая схема резонатора твердотельного моноимпульсного лазера, осуществляющего внерезонаторную накачку ПГС (рис 1б), включала глухое сферическое зеркало с радиусом кривизны +0.4 м, учитывающим тепловую линзу в активном элементе, и диафрагму диаметром 1 мм. База резонатора составляла 0.15 м.

ш

&

а-Е

7

а 1

М

1

1 2 3 4 6 5

б

Рис 1. Схемы моноимпульсных лазерных излучателей, включающих ПГС: 1 - глухое зеркало резонатора лазера накачки, 2 - модулятор добротности, 3 - активный элемент, 4 - диафрагма, 5 - резонатор ПГС, 6 - выходное зеркало резонатора лазера накачки, 7 - линза

Результаты численных исследований пространственно-энергетических характеристик излучения параметрической генерации

Для описания внутрирезонаторного поля лазера накачки была применена модель устойчивого резонатора в режиме модулированной добротности с учетом дифракции излучения внутрирезонаторного поля и динамики изменения плотности инверсной населенности в активной среде лазера в процессе генерации [5]. Поля излучения сигнальной и холостой волн внутри резонатора ПГС определялись с учетом процессов дифракции, а также трехволнового взаимодействия в объеме нелинейного кристалла.

Для исследования процессов параметрической генерации в ходе численных исследований определялись временные зависимости мощности накачки внутри резонатора, временные зависимости мощностей сигнальной и холостой волн на выходе ПГС, а также диаметр и расходимость излучения на частоте сигнала. Эти характеристики были использованы для оценки яркости пучка излучения на частоте сигнальной волны, которая рассчитывалась по формуле

В--г——,

в2 й2

где Е, в, й - энергия моноимпульса, расходимость, диаметр пучка излучения, соответственно.

Сравнительный анализ характеристик сигнала, полученного при двух вариантах рассмотренных схем накачки, был проведен при одинаковых коэффициентах усиления слабого сигнала в активных элементах лазера накачки. Результаты численных исследований показывают, что использование внерезонаторной схемы накачки ПГС позволяет

получить почти на порядок большие значения энергии импульса сигнала по сравнению с вариантом внутрирезонаторной накачки (рис. 2). Это может объясняться низкой эффективностью преобразования излучения накачки в сигнал при внутрирезонаторной накачке. Причиной этого может быть сильное обратное воздействие сигнала, приводящее к резкому уменьшению мощности излучения накачки [6]. При внерезонаторной накачке ПГС генерация сигнала продолжается практически до окончания импульса накачки. На рис 2 приведены результаты, полученные как для плоского резонатора ПГС, так и оптимизированной конфигурации резонатора ПГС. Для данной конфигурации резонатора лазера накачки найдена оптимальная конфигурация резонатора ПГС. Для оптимальной конфигурации радиусы кривизны зеркал резонатора ПГС составили примерно +3 м. В качестве критерия оптимизации была выбрана максимальная энергетическая эффективность преобразования излучения накачки в излучение на частоте сигнальной волны.

Е, отн.ед.

1

0.8 0.6 0.4

0.2

0.0

-Г-2

-Г-

3

-Г-

4

-Г-

5

-Г-6

к

Рис. 2. Зависимость энергии импульса параметрической генерации Б3 от коэффициента усиления активной среды К при внерезонаторном (1,2) и внутрирезонаторном (3,4) размещении ПГС: 1, 3 - оптимизированный резонатор

ПГС; 2, 4 - плоский резонатор ПГС

3.02.52.01.51.00.50.0

-Г"

3

-Г"

4

-Г"

5

-Г" 6

к

Рис. 3. Зависимость расходимости излучения параметрической генерации ©3 от коэффициента усиления активной среды К при внерезонаторном (1,2) и внутрирезонаторном (3,4) размещении ПГС: 1, 3 - оптимизированный резонатор ПГС; 2, 4 - плоский резонатор ПГС; ©3о - значение расходимости, соответствующей

дифракционному пределу

4

1

Анализ результатов расчетов пространственных характеристик показывает, что угловая расходимость излучения сигнала при переходе к внерезонаторной накачке существенно возрастает в условиях существенно более высокой плотности мощности накачки (рис. 3). Расходимость излучения, полученного в плоском резонаторе ПГС, растет сильнее при увеличении коэффициента усиления активной среды лазера накачки по сравнению с вариантом оптимизированного резонатора ПГС. Следует отметить, что диаметр пучков излучения изменялся незначительно при увеличении коэффициента усиления активной среды.

Ь, отн.ед.

1

0.8 0.6 0.4 0.2 0.0

Рис. 4. Зависимость яркости излучения параметрической генерации L от коэффициента усиления активной среды K при внерезонаторном (1, 2) и внутрире-зонаторном (3, 4) размещении ПГС: 1, 3 - оптимизированный резонатор ПГС;

2, 4 - плоский резонатор ПГС

Результаты численных исследований двух вариантов оптических схем лазера накачки и ПГС позволили оценить яркость излучения сигнала. Проведенные оценки (рис. 4) показывают, что при сравнительно высоких коэффициентах усиления активной среды применение внерезонаторной схемы накачки ПГС позволяет добиться примерно пятикратного увеличения яркости излучения параметрической генерации.

Заключение

При помощи численной модели моноимпульсного твердотельного лазера, учитывающей процессы дифракции и усиления излучения лазерной и параметрической генерации, проведено исследование яркостных характеристик излучения на частоте сигнальной волны при внутрирезонаторном и внерезонаторном вариантах размещения ПГС. Результаты численного анализа двух рассмотренных схем показывают, что использование внерезонаторного варианта размещения ПГС дает возможность получить примерно пятикратное увеличение яркости и почти десятикратное увеличение энергии импульса излучения параметрической генерации.

Литература

1. Larry R. Marshall, A. Kaz. Eye-safe output from noncritically phase-matched parametric oscillators.. // J. Opt. Soc. Am. B. 1993. V.10. №9. P. 1730-1736

2. Naoumov V.L., Onischenko A.M., Podstavkin A.S. Miniature optical parametric 1064/1573 nm converter. // Proceedings of X Conference on Laser Optics. St-Petersburg, Russia, 2000.

T-1-1-'-1-'-1-'-г

2 3 4 5 6

3. J. Chung, A.E.Siegman Singly resonant continuous-wave mode-locked KTiOPO4 optical parametric oscillator pumped by a Nd:YAG laser. // J. Opt. Soc. Am. B. 1993. V.10. №11. Р.2201-2210.

4. В.Г.Дмитриев, Л.В.Тарасов Прикладная нелинейная оптика: Генераторы второй гармоники и параметрические генераторы света. М.: Радио и связь 1982. 352 с.

5. Калинцев А.Г., Назаров В.В., Хлопонин Л.В., Храмов В.Ю. Исследование квазинепрерывного внутрирезонаторного ПГС с длиной волны генерации 1.54 мкм // Оптические и лазерные технологии. СПб: СПб ГИТМО (ТУ), 2001. С. 84-94.

6. Калинцев А.Г., Назаров В.В., Хлопонин Л.В., Храмов В.Ю. Исследование динамики внутрирезонаторной параметрической генерации на длине волны 1.54 мкм. // Оптический журнал. 2002. Т.69. №3. С. 54-58.