Анотація до роботи:

Стукаленко В.В. Взаємозв'язок поляризаційних та частотних флуктуацій мод квазіізотропного резонатора.– Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-метематичних наук за спеціальністю 01.04.05 – Оптика, лазерна фізика.– Київський національний університет імені Тараса Шевченка, Київ 2005

Досліджено взаємозв'язок поляризаційних та частотних характеристик двомодового газового лазера при видовженні резонатора в умовах слабких магнітних полів та температурних флуктуацій. Встановлено, що у випадку генерації ортогонально поляризованих мод спектральна залежність частоти міжмодового биття має розриви в моменти згасання-виникнення мод на периферії контуру підсилення. Досліджено для кожної поляризації ортогональних мод в контурі підсилення спектральну залежність положення площини поляризації в магнітному полі. Встановлено, що ефективна стабілізація частоти випромінювання газового лазера можлива лише при використанні зовнішнього еталону.

В дисертації наведено аналіз отриманих експериментальних результатів по дослідженню спектрів ортогональних і колінеарних мод газового лазера, динаміки положення площини поляризації мод в контурі підсилення в локальних та однорідних магнітних полях, спектру частоти міжмодового биття ортогональних та колінеарних мод; розраховано спектр температурної залежності частоти міжмодового биття в межах контуру підсилення, описано випробувану систему стабілізації випромінювання лазера з використанням зовнішнього еталону. Показано, що стабільність частоти міжмодового биття не означає стабільності частоти генерації лазера.

Коротко сформулюємо основні результати роботи та висновки.

Показано, що фазова поляризаційна анізотропія реального квазіізотропного резонатора залежить від частоти в межах контуру підсилення. Вона має дві складові – стаціонарну і динамічну. Перша з них визначає середнє положення площин поляризації обох мод лазера, друга – випадкове розхитування їх. Від співвідношення між ними залежить стабільність (відтворюваність) або випадковість поведінки функції просторового положення площини поляризації в процесі зміщення моди в контурі підсилення в кожній реалізації. В реальних умовах експлуатації робота двомодового лазера з квазіізотропним резонатором супроводжується неконтрольованим порушенням положення площини поляризації та ортогональності мод, що не дозволяє використовувати поляризаційні характеристики мод у якості внутрішнього стандарту в системах стабілізації частоти. В загальному випадку контроль довжини квазіізотропного резонатора лазера не дозволяє повністю відтворити частотно-поляризаційно-інтенсивнісну ситуацію.

Встановлено, що кожна з ортогональних поляризацій резонатора має свій набір еквідистантних мод, які зміщені один відносно одного на величину 20-250 кГц, що відповідає анізотропії резонатора порядку 0,0001 рад (~10^-11 м). Це означає, що двомодова генерація в квазіізотропному резонаторі може бути двох типів. Перший характеризується тим, що міжмодовий інтервал сусідніх (ортогональних) мод коротший від інтервалу в кожній з поляризацій, другий – відповідно довший.

Встановлено, що площини поляризації сусідніх мод утворюють прямий кут лише при симетричному положенні в контурі підсилення, в інших спектральних положеннях цей кут відрізняється від прямого на кілька градусів. Визначення “ортогонально поляризовані моди” слід вживати як умовне.

Знайдено спектральну залежність кута повороту в магнітному полі для кожної поляризації мод. Встановлено, що локальне поздовжнє магнітне поле, накладене в обмеженому просторі розряду, якісно дає такий же ефект як і однорідне магнітне поле, що діє на всьому розрядному проміжку. Кількісно вплив локального магнітного поля розраховується як зважена сума.

На основі методу балансних рівнянь розраховано вплив температури на показник заломлення активного середовища, на частоту мод та частоту міжмодового биття двомодового лазера. Експериментально і теоретично показано, що при постійній температурі однозначний зв’язок між частотою генерації лазера та частотою міжмодового биття існує в обмежених ділянках контуру підсилення. При зміні температури ця однозначність порушується. Це значить, що частота міжмодового биття не може бути вихідним сигналом системи стабілізації частоти генерації будь-яких лазерів.

Створена система стабілізації частоти випромінювання газового лазера з використанням зовнішнього стандарту (інтерферометра) на основі контролю за довжиною резонатора. Досягнутий рівень стабілізації (10^-8) обмежується практично лише роздільною здатністю використаного інтерферометра Фабрі-Перо. Запропонована схема дає можливість стабілізувати положення обраних мод на контурі підсилення, незалежно від стану поляризації, тобто є універсальною для лазерів неперервної дії.

Вперше запропонована, досліджена і впроваджена схема радіаційного контакту між тепловиділяючими елементами і елементами конструкції резонатора, що принаймні, на порядок підвищило швидкодію від’ємного зворотного зв’язку в системі стабілізації.

Проведені експериментальні та теоретичні дослідження дозволили зробити наступні висновки:

1. Флуктуації магнітного поля і температурного режиму в зоні активного середовища лазера, моди вищих порядків, які неконтрольовано з'являються у генерації, та наявність вимушених переходів, що мають спільний рівень з лінією генерації, є основними джерелами нестабільності частоти, поляризації випромінювання лазера та частоти міжмодового биття.

2. Кутовий відгук положення площини поляризації ортогональних мод на зовнішнє магнітне поле як за величиною, так і за знаком залежить від положення мод в межах контуру підсилення. При симетричному положенні мод відносно центру лінії чутливість до магнітного поля відсутня. Реакція площини поляризації мод на магнітне поле залежить від величини анізотропії, а також від послідовності розташування мод в контурі підсилення, тобто, яка саме з двох можливих комбінацій мод реалізована – з коротким чи довгим міжмодовим інтервалом.

3. Для стабілізації частоти випромінювання газового лазера принципово непридатні методики, які базуються на стабілізації певних частотних або інтенсивністних співвідношеннях між сусідніми модами резонатора. Ефективна стабілізація частоти та інтенсивності випромінювання можлива лише на основі використання незалежного зовнішнього еталону.

Публікації автора:

1. Конончук Г.Л., Стукаленко В.В., Фарина Д.С. Поляризаційна нестабільність лазера з квазіізотропним резонатором // Вісник Київського університету, серія фізико–математичні науки.–1997.- №4.-С.361–367.

2. Конончук Г.Л., Стукаленко В.В., Фарина Д.С. Лазер з квазіізотропним резонатором в магнітному полі // Вісник Київського університету, серія фізико–математичні науки.–1998.– №4.–С. 309–315.

3. Конончук Г.Л., Стукаленко В.В., Фарина Д.С., Шинкар В.В. Стабілізація частоти випромінювання лазера зовнішнім ІФП // Вісник Київського університету, серія фізико–математичні науки.– 1998.– №4.–С.268–272.

4. Конончук Г.Л., Стукаленко В.В., Хоменко І.Є. Опорний лазер для фур'є-спектрометра // Вісник Київського університету, серія фізико–математичні науки.–1997.– №1.–С.286–291

5. Конончук Г.Л., Стукаленко В.В., Терентьєва Ю.Г. Польове уширення лоренцевого контурy // Вісник Київського університету, серія фізико–математичні науки.– 2000.–№ 4.–C.442–444.

6. Конончук Г.Л., Стукаленко В.В. Підсилення світла і дисперсія в околі неоднорідно уширеної лінії при дії потужної резонансної хвилі //Вісник Київського університету, серія фізико–математичні науки.–2000.–№ 4.–439–441.

7. Конончук Г.Л., Стукаленко В.В. Інверсія провалу Лемба // Вісник Київського університету, серія фізико–математичні науки.–2001.– № 1.–450–452.

8. Конончук Г.Л., Стукаленко В.В. Терентьєва Ю.Г. Вплив температури активного середовища на міжмодові інтервали газового лазера // Наукові записки НаУКМА, фізико–математичні науки.– 2002, №1.–С. 83–90.

9. Конончук Г.Л., Стукаленко В.В. Спектрально–поляризаційна поведінка ортогонально поляризованих мод у He–Ne-лазері//УФЖ.–2003.–Т.48,№5.–С.417–423.

10. Kononchuk G.L., Stukalenko V.V. Destabilizing factors in operation of short–cavity He–Ne laser // Semiconductor Physics, Quantum Electronics & Optoelectronics.–2003.–V. 6, N 3.–P. 365–369.

11. Іскра В.Д., Конончук Г.Л., Стукаленко В.В. Ефект польового уширення в одномодовому He–Ne лазері//ТезиVВсеукраїнської наукової конференції "Фундаментальна та професійна підготовка фахівців з фізики".–Київ–2000.–C.190.

12. Конончук Г.Л., Стукаленко В.В., Терентьєва Ю.Г. Характеристики двомодової генерації при врахуванні польового розширення лоренцевої лінії//Тези V Всеукраїнської наукової конференції "Фундаментальна та професійна підготовка фахівців з фізики".– Київ.–2000.–C.189.

13. Kononchuk G.L., Stukalenko V.V., Maydanchuk I.Y. Spectral polarization instability of the He–Ne lazers//ІІІInternational Young Scientists Conference "Problem of Optics and High Technology Material Science SPO 2002".–Kyiv.–2002–Р.64.

14. Kononchuk G. L., Stukalenko V.V. Difference of spectral behavior of orthogonal modes in He–Ne laser// Proceedings of the XVI international school-seminar “Spectroscopy of molecules and crystals”.–Sevastopol.–2003.–Р.334.

15. Kononchuk G. L., Stukalenko V.V. The influence of local axial magnetic field on the plane of polarization of orthogonal modes in He–Ne laser//International scientific and practical conference "Spectroscopy in special applications".–Kyiv.–2003.–Р.270.