Моделирование оптических систем импульсных твердотельных лазеров

• Автор: Назаров, Вячеслав Валерьевич
• Шифр специальности: 05.27.03
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2005
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 155 с. : ил.

Содержание
Введение

Глава 1. Моделирование оптических систем твердотельных лазеров

1.1 Моделирование лазерных резонаторов с учетом процессов

дифракции и усиления в активной среде

1.2 Анализ лазерных резонаторов с использованием

аппарата матричной оптики

1.3 Моделирование неустойчивых резонаторов с градиентными зеркалами

Глава 2. Моделирование твердотельного

моноимпульсного лазера

2.1 Дифракционная модель для расчета пространственновременной

структуры поля в лазерном резонаторе с активной средой .
2.2 Дифракционная модель широкоапертурного лазерного резонатора, обладающего радиальной симметрией
2.3 Применение приближения геометрической оптики для анализа характеристик телескопических резонаторов с термооптическими неоднородностями
Глава 3. Моделирование твердотельных лазеров
с градиентными элементами
3.1 Амплитуднофазовые характеристики модельных градиентных зеркал
3.2 Особенности моделирования лазерных резонаторов с градиентными диэлектрическими зеркалами
3.3 Оптимизация диэлектрических градиентных зеркал в широкоапертурных телескопических резонаторах
3.4 Применение динамического градиентного отражателя в резонаторе моноимпульсного лазера
Глава 4. Исследование квазннепрерывного моноимпульсного
твердотельного лазера с внутрирезонаторным
параметрическим генератором света
4.1 Особенности моделирования твердотельного лазера с внутрирезонаторным параметрическим генератором света
4.2 Результаты исследований пространственноэнергетических
характеристик излучения параметрической генерации
Заключение
Литература


Решение данной достаточно сложной научно-технической задачи, требующей большого объема теоретических и экспериментальных исследований, в значительной степени упрощается при проведении математического моделирования различных физических процессов, протекающих во время генерации лазерного излучения. Характеристики лазерного излучения в значительной степени определяются свойствами оптических компонентов, входящих в состав лазерного излучателя, в том числе и свойствами лазерного резонатора. Процесс моделирования твердотельного лазерного излучателя можно свести к отдельным задачам, связанным с взаимодействием формируемого резонатором лазерного излучения с отдельными внутрирезонаторными оптическими элементами. Из множества отдельных задач и связанных с ними математических моделей можно выделить такие, как усиление излучения в активном элементе, распространение лазерного пучка в однородной среде, взаимодействие пучка с зеркалами резонатора, изменение амплитудно-фазовых характеристик излучения при его взаимодействии с внутрирезонаторными оптическими элементами. Одним из наиболее распространенных численных методов является описанный в оригинальных работах [-] так называемый спектральный метод расчета поперечного распределения поля, основанный на использовании спектра пространственных частот поля излучения и передаточной функции свободного пространства. Эффективность данного метода была подтверждена в результате улучшения оригинального алгоритма, базирующегося на быстром преобразовании Фурье, при использовании конечных разностей [,] или конечных элементов []. Разработка методов моделирования распространения излучения проводилась в двух направлениях. Первое направление составили методы, позволяющие преодолеть ограничения параксиального приближения [,]. Процесс распространения пучков излучения оптического диапазона в диэлектрической среде с учетом приближения медленных амплитуд часто описывается укороченным волновым уравнением, известным как параболическое [,]. Процесс взаимодействия излучения с активной средой описывается системой полуклассичсских уравнений, которая при выполнении условий некогерентного взаимодействия может быть преобразована в систему уравнений переноса. Приближение некогерентного взаимодействия выполняется, в частности, для твердотельных лазеров в случае реализации режима модулированной добротности. При этом в системе уравнений переноса осуществляется переход от напряженности электрического поля к плотности потока фотонов, при этом данная система уравнений, полностью описывает некогерентное взаимодействие света с двухуровневой средой, [-]. Система уравнений переноса послужила основой для разработки численной модели, примененной для проектирования многокаскадных импульсных твердотельных лазерных систем [,] и обеспечившей наилучшее соответствие экспериментальных и расчетных данных благодаря учет}' следующих особенностей данных систем: взаимодействие встречных потоков излучения, возникновение шумов в каскадах лазерной системы, взаимодействие между генератором и усилительными каскадами, обуславливающее возможное уменьшение запасаемой энергии в активных элементах. Данная система уравнений хорошо подходит для расчета энергетических характеристик излучения лазерной генерации, которое может быть представлено совокупностью линейно поляризованных плоских волн. Однако в данном методе учитывается лишь интенсивность излучения и нс учитываются амплитудно-фазовые характеристики поля световой волны, что делает невозможным расчет угловых характеристик излучения, а также учет влияния пространственно-неоднородных оптических элементов на пространственно-энергетические характеристики генерируемого излучения. В связи с этим систему уравнений переноса следует дополнить соотношениями, позволяющими описать процесс распространения в резонаторе световой волны обладающей произвольными амплитудно-фазовыми характеристиками. Анализ амплитудно-фазовых распределений в резонаторах часто базируется на соотношениях, описывающих распространение световой волны в однородных оптических средах.