УЧЕБНА ПРОГРАМА ПО
“МОЩНИ ТВЪРДОТЕЛНИ ЛАЗЕРИ”

Хорариум: 45 + 0 + 0 = 45

Лектор: доц. д-р Стоян Куртев

Анотация: Курсът „Мощни твърдотелни лазери” е задължителен за студентите магистри в магистърските програми „Лазерна физика и оптика” от специалност Физика и „Квантова електроника и лазерна техника” от специалност Инженерна физика.
Активните резонатори се изучават ограничено от студентите в бакалавърската степен на обучение. Наличието на активна среда в резонатора влияе съществено негативно върху условията за генерация и свойствата на генерираното лазерно лъчение в условията на интензивно напомпване. Задълбоченото изучаване на факторите, влошаващи качеството на лазерното лъчение, позволява намирането на ефективни методи за управление на качеството на лазерните снопове посредством резонатора. Съществуват редица реални постижения в тази област, които е препоръчително да се знаят от специалисти с по-висока квалификация. Гаусовите снопове от втори порядък, които са собствени за пасивните резонатори не са особено подходящи за генерация на лъчение с максимална яркост, тъй като поради нееднородното разпределение на интензитета по напречното сечение те взаимодействат неефективно с инверсната населеност. От друга страна те имат “горещ център” и формират дифракционни отскоци на интензитета при преминаване през твърди апертури дори с диаметър, значително превишаващ ефективния размер на снопа. В този смисъл методите за формиране на супергаусови снопове представляват определен интерес. Поради динамичния характер на процесите в активните резонатори на твърдотелните лазери е необходимо изучаване и на методите за обезпечаване на динамична стабилност на параметрите на генерираните снопове. Знанията, придобити в този курс, ще имат практическо приложение при реализацията и експлоатацията на мощни високоефективни твърдотелни лазерни източници с високо качество на генерираното лъчение.

Предварителни изисквания: Курсът „Лазерна физика: основи” от бакалавърската степен на обучение във Физически факултет на СУ.

1. Твърдотелни активни среди - видове, особености. Изисквания към активните елементи за мощни твърдотелни лазери. Nd:YAG активна среда - характеристики. Схеми и системи за напомпване на мощните твърдотелни лазери. Обзор на факторите, влошаващи характеристиките на генерираното лъчение при висока средна мощност на генерация. Активни елементи от Nd:YAG-керамика. (3 уч. часа)
2. Обобщена теория на параксиалните резонатори. Матричен анализ. Геометрично стабилни и пертурбационно устойчиви резонатори. Многоелементни резонатори. Модов състав на стабилните резонатори. Качество на снопа, M² фактор. Геометрично нестабилни и пертурбационно устойчиви резонатори. Модов състав на нестабилните резонатори, ограничени с твърда апертура. Ефективно число на Френел - условие за едномодова генерация. Пространствени характеристики на генерираното лъчение. (3 уч. часа)
3. Комплексна параксиална оптична теория. Гаусови апертури и комплексни ABCD матрици. Квадратични фазови и амплитудни вълноводи. Интегрално преобразувание на Хюйгенс през обобщена комплексна ABCD матрица. Комплексни Гаусово-Ермитови модове. Комплексно мащабиране на координатите. Синтез и факторизация на комплексни ABCD матрици. (3 уч. часа)
4. Анализ на разстроени резонатори. Матричен анализ на разстроен оптичен елемент - вектор на разстройката. 3x3 матричен формализъм за описание на разстроена оптична система. Разстроен многоелементен резонатор - собствена оптична ос. Чувствителност на резонатора към разстройка - дефиниция, матрично описание. Анализ на разпространени пасивни резонатори. (3 уч. часа)
5. Супергаусови снопове. Сравнение на Гаусови снопове от втори ред и супергаусови снопове, сравнителни екстракционни ефективности. Разпространение на супергаусов сноп в свободното пространство. фактор на супергаусов сноп, ентропия и коефициент на пространствено разпределение. Граница на предимствата на супергаусовите снопове. (3 уч. часа)
6. Геометрично нестабилни резонатори с Гаусови и супергаусови апертури. Собствени вълни и собствени стойности на нестабилните резонатори с Гаусови и супергаусови апертури. Профил на изходящия сноп. Методи за получаване на апертури със съответния профил. Критерии за проектиране на резонатор от този тип. Ефекти от разстройката на резонатора. (3 уч. часа)
7. Нестабилни резонатори, съдържащи активни среди с профил на усилването. Комплексен параксиален анализ с отчитане на насищането на усилването. Модов състав и амплитудни коефициенти на модовете. Механизми на стабилизация на модовете. Механизми, деформнращи напречното разпределение на интензитета на модовете и възможности за генерация на супергаусови снопове. (3 уч. часа)
8. Оптимизиране на периодични комбинации от фазови и насищаеми амплитудни вълноводи. Геометрично стабилни резонатори, съдържащи активни среди с профил на усилването. Пертурбационно устойчиви собствени снопове. Механизми за деформиране на интензитетната форма в супергаусова. Условия за максимална екстакционна ефективност. Оптимизиране на макро лазери и квантови усилватели. (3 уч. часа)
9. Резонатори с насищаеми абсорбционни апертури. Преминаване на Гаусов сноп през насищаема абсорбираща среда - ефект на супергаусова апертура. Насищане на начално Гаусова абсорбционна апертура от Гаусов сноп. Динамика на наситената апертура, условие за стационарен радиус. Резонатор с динамична насищаема абсорбционна апертура. Методи за генерация на гигантски импулси със супергаусова интензитетна форма. (3 уч. часа)
10. Термооптични ефекти в твърдотелните оптични елементи в състава на резонатора. Термооптични ефекти в начално изотропни твърдотелни активни среди с цилиндрична и нецилиндрична симетрия, термична леща, характер на разпределението на термично индуцираното двулъчепречупване, бифокалност на термичната леща. Връзка на оптичната сила на термичната леща с мощността на напомпване в непрекъснат и импулсно-периодичен режим. Термично-индуцирано двулъчепречупване в клетки на Покелс с надлъжен и напречен електрооптичен ефект. (3 уч. часа)
11. Методи за компенсация на термично-индуцираното двулъчепречупване в резонатора. Ефекти от пространствено нееднородното термично-индуцирано двулъчепречупване на активния елемент в резонатора. Ефекти на термичното двулъчепречупване в клетката на Покелс. Вектори и матрици на Джонс. Поляризационен анализ на резонатори, собствени поляризации. Основен принцип на компенсацията на двулъчепречупването Резонатор с едновременна компенсация на двулъчепречупването на цилиндричен активен елемент и клетка на Покелс. Зиг-заг лазери с плочковиден (slab) активен елемент. (3 уч. часа)
12. Динамично стабилни резонатори за широко-обемна едномодова генерация в активния елемент. Анализ на резонатори, съдържащи термична леща с променлива оптична сила, движение по диаграмата на стабилност, диоптрична ширина на зоните на стабилност, условие за динамична стабилност по отношение флуктуациите на оптичната сила. Основна теорема при резонаторите, съдържащи термична леща с променлива оптична сила. Чувствителност на резонатора към разстройка, динамична стабилност към разстройка. Принципни ограничения на размера на основния мод в активния елемент и съотношения между него и размера на петната върху резонаторните огледала. (3 уч. часа)
13. Линейни симетрични резонатори с повече от един твърдотелни активни елементи. Анализ на линейни резонатори с повече от една лещи с променлива оптична сила, движение по диаграмата на стабилност, брой и ширини на зоните на стабилност. Формиране и свойства на симетрични линейни резонатори с повече от една термични лещи, брой и ширина на зоните на стабилност, размер на основния мод в активните елементи. Теснозонни резонатори, динамична стабилност, стабилност към надлъжна разстойка и несиметрия. (3 уч. часа)
14. Кръгови симетрични резонатори с повече от един активни елементи. Анализ на кръгови резонатори с повече от една лещи с променлива оптична сила, движение по диаграмата на стабилност, брой и ширини на зоните на стабилност. Формиране и свойства на симетрични кръгови резонатори с повече от една термични лещи, брой и ширина на зоните на стабилност, размер на основния мод в активните елементи. Динамична стабилност, стабилност към надлъжна разстойка и несиметрия. (3 уч. часа)
15. Оптика на фазовото спрягане и адаптивни резонатори. Основен принцип на фазовото спрягане. Теория на фазовото спрягане при четири-вълново смесване. Фазово спрягане при стимулирано Брилуеново и Раманово разсейване. Приложения на фазовото спрягане за управление на пространствените параметри на лазерната генерация. Адаптивни методи за управление на параметрите на лазерната лъчение - принципи и реализация. (3 уч. часа)

Формата на контрол е: изпит

1. A. E. Siegman, Lasers, (University Science Books, Mill Valley, Calif., 1986).
2. A. Parent, M. Morin, and P. Lavigne, “Propagation of super-Gaussian field distributions,” Opt. and Quantum Electron. 24, 1071-1079 (1992).
3. Th. Graf and J. E. Balmer, “Laser beam quality, enthropy and the limits of beam shaping,” Opt. Commun. 131, 77-83 (1996).
4. K. J. Snell, N. McCarthy, and M. Piche, “Single Transverse Mode Oscillation from an Unstable Resonator Nd:YAG Lase Using a Variable Reflectivity Mirror,” Opt. Commun. 65, 377-382 (1988).
5. S. De Silvestri, V. Magni, O. Svelto, and G. Valentini, “Lasers with Super-Gaussian Mirrors,” IEEE J. Quantum Electron. 26, 1500-1509 (1990).
6. S. Kurtev and O. Denchev, “Investigation of unstable resonators with a variable-reflectivity mirror based on a radial birefringent filter for high-average-power solid-state lasers,” Appl. Opt. 34, 4228-4234, (1995).
7. D. Eimerl, “Thermal Aspects of High-Average-Power Electrooptic Switches,” IEEE J. Quantum Electon. 23, 2238-2251 (1987).
8. V. Magni, G. Valentini, and S. De Silvestri, “Recent developments in laser resonator design,” Opt. and Quantum Electron. 23, 1105-1134 (1991).
9. F. Salin and J.Squier, “Gain guiding in solid-state lasers,” Opt. Lett. 17, 1352-1354 (1992).
10. O. Denchev, S. Kurtev, and P. Petrov, “Modes of unstable resonators with a saturable gain guide,” Appl. Opt. 40, 921-929 (2001).
11. C. Serral, M. P. van Exter, N. J. van Druten, and J. P. Woerdman, “Transverse mode formation in microlasers by combined gain- and index-guiding,” IEEE J. Quantum Electron. 35, 1314-1321 (1999).
12. L. W. Caspercoh and A. Yariv, “Gain and dispersion focusing in a high gain laser,” Appl. Opt. 11, 462-468 (1972).
13. W. Koechner, Solid-State Laser Engineering, (Third Completely Revised and Updated Edition, Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg, Germany, 1992).
14. S. Kurtev, O. Denchev, and S. Savov, “Effects of thermally induced birefringence in high-output-power electrooptically Q-switched Nd:YAG lasers and their compensation,” Appl. Opt. 32, 278-285 (1993).
15. V. Magni, “Resonators for solid-state lasers with large-volume fundamental mode and high alignment stability,” Appl. Opt. 25, 107-117 (1986).
16. V. Magni, “Multielement stable resonators containing a variable lens,” J. Opt. Soc. Am. A 4, 1962 (1987).
17. G. Cerullo, S. De Silvestri, V. Magni, and O. Svelto, “Output power limitations in CW single transverse mode Nd:YAG lasers with a rod of large cross-section,” Opt. Quantum Electron. 25, 489-500 (1993).
18. K. P. Driedger, R. M. Ifflander, and H. Weber, “Multirod resonators for high-powr solid-state lasers with improved beam quality,” IEEE J. Quantum Electron. QE-24, 655-673 (1988).
19. Th. Graf, J. E. Balmer, R. Weber, and H. P. Weber, “Multi-Nd:YAG-rod variable-configuration resonator (VCR) end pumped by diode-laser bars,” Opt. Commun. 135, 171-178 (1997).
20. T. Riesbeck, E. Risse, H. J. Eichler, “Pulsed solid-state laser system with fiber phase conjugation and 315 W average output power,” Appl. Phys. B 73, 847-849 (2001).
21. А. П. Войтович, В. Н. Севериков, Лазеры с анизотропными резонаторами, Минск, “Наука и техника” 1988.
22. Ю. А. Ананьев, Оптические резонаторы и лазерные пучки, М., “Наука” (1990).
23. А. В. Мезенов, Л. Н. Сомс, и А. И. Степанов, Термооптика твёрдотельных лазеров, Л., “Машиностроение” 1986.

1. A. Gerrard and J. M. Burch, Introduction to Matrix Methods in Optics, (Willey, London, 1975). (Джерард и Бурч, Введение в матричной оптике, М., “Мир”, 1978.)
2. R. M. A. Azzam and N. M. Bashara, Ellipsometry and Polarized Light, (North Holland, Amsterdam, 1977). (Р. Азам и Н. Башхара, Эллипсометрия и поляризованный свет, М., “Мир” 1980.)
3. A. Yariv and P. Yeh, Optical waves in crystals, (John Wiley & Sons Inc., New York 1984). (А. Ярив, П. Юх, Оптические волны в кристаллах, М., “Мир” 1987.)

27.02.2007 г.

Съставил: доц. д-р Стоян Куртев

2013-10-03