Проблема расходимости лазерного излучения

ПРОБЛЕМ А РАСХОДИМОСТИ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Автор: Ю. А. Ананьев.

История лазеров тесно связана с историей развития идеи об открытых резонаторах, высказанной почти одновременно в 1958 г. Прохоровым, Дике и Шавловым с Таунсом (библиография по этому и другим затрагиваемым вопросам имеется в [1, 2]). Использовав простейший вариант открытого резонатора из двух плоскопараллельных зеркал, Мейман уже в 1960 г. создал первый макет лазера на рубине, после чего быстро начали появляться все новые и новые типы лазеров. Существовавшая тогда общая уверенность в скорейшем решении проблемы передачи энергии на сверхдальние расстояния и других основывалась на формуле для дифракционного предела расходимости φ=1,2λ/Ζ) (λ - длина волны, D - диаметр светового пучка), предсказывавшей очень малую величину последней. Однако на деле оказалось, что расходимость излучения тех же рубиновых лазеров во много раз превышает φ.

Последующий анализ ситуации во многом опирался на результаты теории пустых открытых резонаторов, начало которой было положено в 1960 г. Фоксом и Ли, впервые показавшими, что система из двух зеркал действительно обладает модами в стандартном определении. К концу 60-х годов эта теория была в основном построена (значительную роль здесь сыграли работы Вайнштейна). Выяснилось, что идеальные резонаторы из плоских и слегка вогнутых зеркал обладают целыми наборами мод с малыми потерями (высокой добротностью) и разнообразными симметричными распределениями полей. Однако подобные распределения в экспериментах с импульсными лазерами наблюдались крайне редко явно из-за наличия оптических неоднородностей среды.

Серия работ 1963-1964 гг., среди которых лучшая принадлежала Леонтовичу и Ведуте, показала, что наличие даже слабой неоднородности, внесенной внутрь резонатора среды, способно кардинально перестроить модовую структуру. Примерно тогда же стало ясно, что к большой величине расходимости приводит также склонность резонаторов с малыми потерями к одновременному возбуждению большого числа мод.

В 1963 г. Кузнецова и Раутиан показали, как легко режим одномо-довой генерации может потерять устойчивость. Вскоре Танг и Статц предложили модель многомодовой генерации лазеров, работающих в режиме, близком к пороговому. Эта модель была распространена автором на случай большого превышения порога генерации, что позволило оценить ширину спектра и расходимости излучения реальных лазеров. Работы по спектру были продолжены Лившицем и Цикуновым; что же касается расходимости, то оказалось, что с ростом сечения резонатора растет и число одновременно возбуждаемых высокодобротных мод, поэтому отношение расходимости к φ становится все большим.

О неблагоприятной ситуации с расходимостью при больших D свидетельствовали результаты и других исследователей, в частности, Басова, Беленова, Летохова, Сучкова. Поэтому многие считали, что позволяют решить проблему расходимости лишь схемы типа изображенной на рис. а. Лазер 1 служит задающим генератором.

Он имеет небольшое сечение; величина φ при этом оказывается сравнительно большой, что значительно облегчает ее достижение (удачный способ оптимизации подобных лазеров был предложен Микаэляном с сотрудниками). По прохождении телескопа 2 сечение светового пучка "растягивается", а расходимость во столько же раз уменьшается. После усилительного каскада 3 при необходимости ставится еще один телескоп с усилителем, и т.д.

Намного более простое альтернативное решение было предложено в 1965 г. Сигменом, высказавшимся в пользу так называемых неустойчивых резонаторов с большими дифракционными потерями; типичным представителем этого класса является система из двух выпуклых зеркал. В 1969 г. мы уже располагали импульсным лазером, излучение которого фокусировалось прямо двухзеркальным неустойчивым резонатором (без дополнительной оптики) на заданную дистанцию 50 м, проделывая там отверстия диаметром 3-5 мм в алюминиевой пластинке толщиной 0,5 мм.

Принцип действия неустойчивого резонатора поясняется рис. б. Часть излучения, прошедшего телескоп и активный элемент, подается обратно на вход телескопа, замыкая цепь обратной связи; часть в виде пучка кольцевого сечения выходит из системы, образуя полезный сигнал. Подобрав параметры телескопа так. чтобы в цепь обратной связи поступала та же доля светового потока, которая отражается от полупрозрачного зеркала плоского резонатора, можно, очевидно, добиться тех же самых энергетических характеристик излучения.

Вместе с тем, в неустойчивом резонаторе излучение при каждом обходе кольца проходит через уменьшающий расходимость телескоп, поэтому в отличие от плоского резонатора результирующая расходимость оказывается близкой к той, которая набегает при однократном прохождении через активный элемент параллельного вначале тучка. Кроме того, излучение здесь поступает на периферийные участки сечения из центрального, и существует определенное разделение функций: центральный участок служит задающим генератором, периферийные - оконечным усилителем. Это создает почти те же возможности управления излучением, что и в многокаскадных схемах.

Осознание этих преимуществ неустойчивых резонаторов, а также работа по устранению ряда побочных эффектов позволили нам первыми предложить и использовать на практике почти все схемы, по которым сейчас строят мощные и сравнительно простые лазеры, имеющие малую расходимость излучения. Так, созданы генераторы большого сечения, управляемые миниатюрными оптическими элементами; однокаскадные усилители с тем же гигантским усилением, что и многокаскадные схемы; генераторы со стабильным направлением выходного пучка и условиях сильной вибрации активных элементов и т. д.

К середине 70-х годов осталась нерешенной лишь проблема резонаторов для широкоапертурных лазеров на слабо усиливающих средах: тогда оказывается возможным выводить из резонатора лишь малую долю общего потока излучения, и кольцо, которым является сечение выходного пучка, становится совсем узким, что вызывает ряд нежелательных последствий. В 1975 г. автором был предложен новый способ построения цепи обратной связи неустойчивого резонатора, позволяющий получать в подобных случаях односвязное компактное сечение выходного пучка и заодно уменьшить влияние некоторых видов неоднородно-стей.

Все это позволило для лазеров самого разного назначения достичь столь малой расходимости, какую только допускает степень неоднородности среды. Кратко коснемся теперь борьбы за снижение этой степени. Наибольшие успехи здесь достигнуты в деле снижений термических деформаций резонаторов твердотельных лазеров, вызванных неравномерным по объему нагреванием среды при ее возбуждении. Нередко этот источник аберраций играет основную роль, а в случае распространенных лазеров на стекле является практически единственным.

В 1966 г. Снитцер предложил подбирать состав стекла так, чтобы изменения показателя преломления, вызываемые непосредственно вариациями температуры и явлениями фотоупругости (возникающими за счет термических напряжений), компенсировали друг друга. Спустя 2 года автором было подмечено, что возможность полной компенсации появляется лишь после перехода от круглого к вытянутому прямоугольному сечению активных элементов (в 1970 г. аналогичные соображения были высказаны Бужинским, Диановым и др.), причем подбором состава можно добиться еще и того, чтобы излучение генерации было плоскопо-ляризованным.

Помимо формулирования этих соображений, автором были предложены вошедшие в повсеместную практику лазерные термооптические константы, определяющие величину термических деформаций резонатора как при плоских, так и при круглых сечениях активных элементов. Все это сыграло свою роль в развитии отечественных работ по созданию как "атермальных" стекол, так и новых видов лазеров на стекле.

Для лазеров на кристаллах все более популярным становится активно пропагандировавшийся в начале 70-х годов Микаэляном и др. метод снижения термических деформаций, основанный на "зигзагообразном" (за счет полного внутреннего отражения от боковых стенок) пропускании светового пучка через плоскую активную пластину.

С середины 60-х годов ведется также разработка методов, способных уничтожить влияние любых оптических неоднородностей активных сред независимо от их происхождения. В 1971 г. после осознания бесплодности попыток создания широкоапертурных резонаторов с автокомпенсацией неоднородностей среды на основе нелинейных эффектов автором была предложена наиболее популярная в настоящее время схема двух-проходового лазерного усилителя с промежуточной операцией обращения волнового фронта. В качестве одного из возможных способов обращения был назван метод динамической голографии, впоследствии названный четырехволновым взаимодействием. Вскоре Рагульским и др. был открыт эффект обращения при вынужденном рассеянии назад, и работы в этом направлении приобрели огромный размах. Автору здесь принадлежат еще некоторые идеи о возможностях применения динамической голографии и оригинальная феноменологическая модель процесса вынужденного рассеяния.

Автором с сотрудниками были предприняты также первые попытки применения в лазерной технике оптико-механических приемов коррекции волновых фронтов. В 1970 г. было создано зеркало, кривизна которого изменялась во время импульса генерации длительностью ~10-³ с. Спустя 2-3 года были изготовлены макеты гибких зеркал с более широкими возможностями управления формой их поверхности; построенные на их основе высокоточные цилиндрические зеркала с управляемой кривизной использовались в некоторых крупномасштабных экспериментах середины 70-х годов. В дальнейшем методы адаптивной оптики с применением гибких зеркал в качестве основных исполнительных механизмов нашли весьма широкое развитие. Существует ряд еще нерешенных важных задач лазерной техники, требующих использования оптических элементов с сильно отличающимися от сферической формами поверхности (конической, тороидальной и т. д.). Это требует развития не только соответствующей технологии изготовления, но и принципиально новых методов анализа.