Нелинейные пространственно-временные оптические структуры в широкоапертурном лазере с отстройкой частоты генерации

• Автор: Кренц, Антон Анатольевич
• Шифр специальности: 01.04.05
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2012
• Место защиты: Самара
• Количество страниц: 153 с. : ил.

Содержание
Введение
Глава 1.Современное состояние теоретических и экспериментальных исследований динамики нелинейных оптических структур в поле излучения широкоапертурных лазеров
1.1 Динамика нелинейных оптических структур в поле широкоапертурных лазеров. Эксперимент
1.2 Динамика нелинейных оптических структур в поле широкоапертурных лазеров. Теория
Глава 2. Нелинейные оптические структуры в поле излучения широкоапертурного лазера при отрицательном знаке отстройки
2.1 Сценарий перехода к хаосу для интенсивности излучения
2.2 Сценарий перехода к хаосу для комплексной огибающей 67 оптического поля
2.3 Учет конечности времени релаксации поляризации
2.4. Численный расчет динамики оптического поля широкоапертурного лазера на конечной апертуре
Глава 3. Нелинейные оптические структуры в поле излучения широкоапертурного лазера при положительном знаке отстройки
3.1 Нелинейные оптические структуры и их устойчивость при положительной отстройке в одномерном случае
3.2 Нелинейные оптические структуры и их устойчивость при положительной отстройке в двумерном случае
3.3 Численное моделирование динамики оптического поля широкоапертурного лазера с положительной отстройкой частоты
Заключение
Литература
Введение
Диссертация посвящена теоретическому исследованию нелинейных пространственно-временных оптических структур, формируемых в поле излучения широкоапертурных лазеров.
Актуальность темы. Нелинейная оптика широкоапертурных активных и пассивных оптических систем является быстро развивающимся научным направлением, иногда объединяемым под общим названием нелинейной поперечной оптики. Данное направление нелинейной оптики исследует спонтанное формирование пространственно-временных структур электромагнитного поля в плоскости ортогональной направлению распространения излучения. В широкоапертурных пассивных оптических системах были экспериментально зафиксированы такие пространственно-временные структуры как периодические структуры автоволнового типа, спиральные автоволны, различные вихревые структуры, включая изолированные вихри, вихревое стекло, вихревые дорожки, стационарные и нестационарные решётки оптических вихрей, пространственно-временной хаос. Существование таких структур в широкоапертурных лазерах с отстройкой частоты было предсказано теоретически [1-5] и за последние годы в связи с развитием новых методов исследования и новой быстродействующей экспериментальной техники зафиксированы в многочисленных экспериментах [1-22]. Одной из причин возрастания интереса к этим структурам является расширение области применения широкоапертурных лазеров, прежде всего миниатюрных твердотельных, а также полупроводниковых лазеров, излучающих вдоль (например, традиционные инжекционные лазеры) или поперёк (полупроводниковые вертикально излучающие лазеры) р-п перехода. В частности, полупроводниковые вертикально излучающие лазеры (ВИЛ) имеют очень маленькие продольные размеры, эффективная длина резонатора порядка 1 мкм. Такая конструкция лазера дает важное преимущество - ВИЛ работает на единственной продольной моде. В то же время, поскольку в этом типе лазеров генерация происходит поперёк р-п перехода, а не вдоль, как в обычных
полупроводниковых лазерах, для получения требуемой для многих современных приложений мощности генерации приходится использовать очень широкую апертуру. Поперечный размер составляет от 10-20 мкм в типичных коммерческих лазерах до 200 мкм в лабораторных прототипах. Таким образом, в широкоапертурных ВИЛ поперечный размер резонатора гораздо больше продольного, т.е. резонатор имеет большое число Френеля, что способствует возбуждению большого числа поперечных мод, нелинейное взаимодействие между которыми может приводить к появлению сложных пространственно-временным структур. ВВИЛ с широкой апертурой наблюдаются поперечные оптические структуры близкие к модам пустого резонатора только при накачках близких к пороговому значению. При увеличении накачки значительную роль начинает играть взаимодействие поперечных мод, обусловленное нелинейностью активной среды. При этом стоит отметить, что чем больше поперечные размеры, тем большее количество поперечных мод вовлечено во взаимодействие, и тем сложнее пространственно-временная динамика лазера. Значительное превышение накачки над порогом приводит к возникновению стационарных или не стационарных квадратных решёток оптических вихрей, переходам к режимам пространственно-временного хаоса.
Появление квадратных решёток оптических вихрей, оптической турбулентности зафиксировано также в широкоапертурных твердотельных и газовых лазерах. Во всех случаях, несмотря на принципиально разные физические процессы в этих активных средах, основными управляющими параметрами смены типов пространственно-временной структуры оптического поля являлись число Френеля, параметр накачки и отстройка частоты генерации. Последняя возникала в силу естественных (разогрев среды) или искусственных изменений оптической длины резонатора.
Миниатюрные лазеры активно применяются при передаче по оптическим каналам связи. Также активно разрабатываются системы передачи данных без применения оптоволокна, использующие распространение излучения в свободном пространстве. Данная технология требует высокой мощности

Решетки оптических вихрей также экспериментально обнаружены в полупроводниковых вертикально излучающих лазерах [23]. Широкоапертурные полупроводниковые лазеры с вертикальным резонатором демонстрируют переключение с генерации простых модовых пространственных структур на генерацию массивов «темных пятен» (рисунок 1.19).
Подобное усложнение пространственно-временной динамики наблюдается при увеличении тока накачки. Интерферограммы таких структур показывают, что такие темные пятна есть не что иное, как оптические вихри (рисунок 1.20). Это означает, что при увеличении тока накачки в широкоапертурных полупроводниковых лазерах с вертикальным резонатором также наблюдается переход от простых мод пустого резонатора к генерации квадратной решетки оптических вихрей.
Рисунок 1.20 Интерферограмма вихревых оптических структур, генерируемых широкоапертурным полупроводниковым лазером с вертикальным резонатором
Работа [24] посвящена подробному экспериментальному исследованию нелинейных оптических структур, наблюдаемых в поле излучения широкоапертурных полупроводниковых лазеров с вертикальным резонатором. Оптические структуры исследуются в лазерах, как с круглой, так и с квадратной выходной апертурой. Особое внимание уделено роли отстройки частоты генерации от частоты продольной моды резонатора. В эксперименте