Регулярная и хаотическая динамика лазеров с активной синхронизацией мод и в автономном режиме с управляемыми параметрами для оптической диагностики (

На правах рукописи

Акчурин Александр Гарифович

РЕГУЛЯРНАЯ И ХАОТИЧЕСКАЯ ДИНАМИКА ЛАЗЕРОВ С АКТИВНОЙ СИНХРОНИЗАЦИЕЙ МОД И В АВТОНОМНОМ РЕЖИМЕ С УПРАВЛЯЕМЫМИ ПАРАМЕТРАМИ ДЛЯ ОПТИЧЕСКОЙ ДИАГНОСТИКИ

(специальность 01.04.21 – лазерная физика)

автореферат

диссертация на соискание ученой степени

кандидата физико-математических наук

Саратов

2007

Работа выполнена в ГОУ ВПО Саратовский государственный

университет имени Н.Г. Чернышевского

Научный руководитель: доктор физико-математических наук,

Мельников Леонид Аркадьевич

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

Аникеев Борис Васильевич

кандидат физико-математических наук,

Паршков Олег Михайлович

Ведущая организация: Самарский государственный университет

Защита состоится «13» ноября 2007 г. в 17-30 на заседании диссертационного совета Д 212.243.05 при Саратовском государственном университете им. Н.Г. Чернышевского

Адрес: 410026, г. Саратов, ул. Астраханская 83, корп. 3, физический факультет СГУ

С диссертацией можно ознакомиться в Научной библиотеке Саратовского государственного университета имени Н.Г. Чернышевского

Автореферат разослан «11» октября 2007г.

Ученый секретарь диссертационного совета,

доктор физико-математических наук, профессор В.Л.Дербов

Общая характеристика

Актуальность темы.

В настоящее время ведущие лазерные и оптические центры Америки и Европы ведут интенсивные поиски и разработки по созданию новых типов оптических томографов для использования их в биомедицине, материаловедении и диагностике рассеивающих сред. Существуют два перспективных направления для их разработки: системы, использующие когерентные свойства излучения, и системы, использующие зондирование нано- и пикосекундными лазерными импульсами. Интерес к данным разработкам выражается в большом числе патентов (более 500 зарубежных патентов и 6 патентов РФ) [л1, л2]. Кроме того, в связи с интенсивным развитием оптических информационных технологий необходима разработка лазерных методов диагностики таких параметров оптических волноводов, фотонно-кристаллических сред и волокон, как дисперсия, определяющая скорость передачи информации, и возможности применения таких сред, например, для компенсации дисперсии в волоконно-оптических линиях связи. Для этого необходимо измерение дисперсии в коротких образцах волокон или кристаллов. Традиционно для указанных целей используются твердотельные лазеры с активной синхронизацией мод, генерирующие ультракороткие оптические импульсы [л3]. Твердотельные фемтосекундные лазеры с пассивной синхронизацией мод выпускаются различными лазерными фирмами в Швейцарии, Германии, США, России и других станах. В то же время пико- и наносекундные лазеры с активной синхронизацией мод являются достаточно сложными лазерными системами, оптимизация которых для прикладных целей требует значительных усилий. Уже первые попытки получения синхронных лазерных импульсов как на основе газоразрядных, так и твердотельных лазеров столкнулись с проблемой очень узкой зоны синхронизации, составляющей
10-4…10-6 от межмодовой частоты. Соответственно существуют жесткие требования на тепловой дрейф резонатора и на стабильность частоты радиочастотного генератора, вызывающего модуляцию потерь в резонаторе. Однако механизмы разрушения режима вынужденной синхронизации мод, приводящие к хаотизации амплитуды и длительности импульсов, а также их последовательности, в численном и натурном экспериментах исследованы детально лишь для газовых лазеров. Для твердотельных лазеров, которые генерируют пикосекундные импульсы, в эксперименте детально исследованы характеристики лазерных импульсов внутри зоны синхронизации, но практически отсутствуют сведения о механизмах их разрушения вне зоны синхронизации [л4, л5]. Для разработчиков импульсных оптических томографов или оптоэлектронных зондирующих устройств важны сведения о стабильности амплитуды и длительности зондирующих импульсов, а также требования к системе активной стабилизации. Однако и почти синхронные режимы также интересны, предоставляя возможность генерации импульсов с управляемым уровнем нестабильностей частоты следования, амплитуды, частоты несущей и т.д. Таким образом, исследование процесса вынужденной синхронизации мод в лазере является не только одной из фундаментальных проблем лазерной физики и нелинейной динамики, но и важной практической задачей.

В теории нелинейных колебаний известно, что стохастические флуктуации влияют на процесс синхронизации в автоколебательных системах, уменьшая с ростом мощности шума ширину зоны синхронизации. Обнаружение явления стохастического резонанса показали, что в нелинейных системах может существовать оптимальное значение шума, при котором отношение сигнала к шуму достигает максимума [л6]. Влияние стохастического шума на режим синхронизации лазерных мод практически не исследовалось, хотя в реальном эксперименте лазерная генерация возникает из спонтанного излучения, представляющего собой стохастический шум, при этом его спектральная ширина для твердотельных или полупроводниковых лазеров достигает от сотен ГГц до десятков ТГц для различных типов кристаллов.

Многомодовые режимы генерации являются типичными для полупроводниковых и твердотельных лазеров, имеющих ширину линии усиления от сотен ГГц до десятков ТГц при межмодовом частотном расстоянии от сотен МГц до нескольких сотен ГГц. В лазерном диоде может возбуждаться несколько десятков мод, а в твердотельном – от десятков мод в YAG:Nd микролазерах до нескольких десятков и даже сотен тысяч (в титан-сапфировых). В полупроводниковых лазерах исследованы режимы возникновения хаоса, который экспериментально реализуется в системах с запаздывающей оптической обратной связью [л7,л8]. Современная нелинейная динамика установила основные механизмы возникновения неустойчивостей и сценарии перехода к хаосу в нелинейных диссипативных системах. Один из основных сценариев возникновения динамического хаоса в системе связанных осцилляторов – так называемый сценарий Рюэля-Такенса [л9,л10]. В лазерной физике такой механизм возникновения хаоса отмечался многими исследователями, в основном, в экспериментах с газоразрядными лазерами с неоднородно уширенной линией. В силу особенностей полупроводниковых лазеров (большое число генерируемых частот, особенности дисперсии рабочего перехода) ожидается, что типичные сценарии хаотизации режимов работы лазера могут быть более сложными. Исследования хаотизации излучения полупроводниковых лазеров, несомненно важны, так как инжекционные лазерные диоды составляют основу как сверхскоростных информационных систем, так и дисковых систем типа CD или DVD.

В лазерных информационных и метрологических системах используются одночастотные лазеры со стабилизацией частоты. Такие лазеры лежат в основе существующих оптических эталонов метра и времени. В системах активной стабилизации характеристик излучения таких лазеров используется запаздывающая обратная связь, которая при определенных уровнях может вызывать возникновение хаотических режимов генерации.

В последнее время на диагностический рынок поставляются оптические низко-когерентные томографы (ОСТ) для биомедицинских исследований (“Сarl Zeiss”, Институт Прикладной Физики РАН (Нижний Новгород)). Несмотря на высокое разрешение по глубине в ОСТ, достигающее 10-15 мкм, общая глубина зондирования ограничена толщиной 1,5-2 мм для рассеивающих биотканей. Для диагностики оптических неоднородностей на больших толщинах применяется зондирование лазерными импульсами или используются СВЧ модуляционные методы. Однако эти нестационарные методы зондирования достаточно сложны в экспериментальном плане и требуют сверхбыстродействующей оптоэлектронной техники. Поэтому ведутся разработки альтернативных оптических спекл-технологий, на основе которых возможно создание как оптических когерентных томографов, так и простых методов диагностики объемных рассеивающих сред толщиной порядка сантиметра и более.

В ближайшее время на информационном рынке должны появиться новые типы оптических мультимедийных систем и лазерных проекционных телевизоров, интенсивно разрабатываемых в Японии и Южной Корее. Их производство сдерживается нерешенной пока проблемой лазерных спеклов, влияющих на пространственное разрешение и цветовой контраст. Представленные в работе результаты по управлению динамикой спеклов могут разрешить эту проблему подавления субъективных спеклов, воспринимаемых глазом человека.

Перечисленные проблемы могут быть разрешены в рамках исследований динамических режимов работы различных типов лазеров, что и было целью настоящей диссертации. В соответствие с этой целью был поставлен ряд задач, формулированных ниже.

Целью данной диссертационной работы являлось

1. Теоретическое исследование нелинейно-динамических процессов разрушения режима активной синхронизации мод в твердотельных лазеров с однородно-уширенной линией при различных управляющих параметрах и различном уровне влияния спонтанного излучения на ширину зоны синхронизации и на процесс формирования лазерных импульсов.
2. Экспериментальное исследование хаотических и стабильных режимов многомодового излучения полупроводниковых инжекционных лазеров в автономном режиме при изменении параметра неравновесности.
3. Теоретические исследования сценария перехода в режим динамического хаоса в одномодовом частотно-стабилизированном лазере с запаздывающей обратной связью, используемом в эталонах длины.
4. Поиск и разработка новых оптических когерентных спекл-корреляционных методов диагностики мало- и многократно рассеивающих случайных объемных сред и организованных волноведущих структур (оптические волоконные световоды) при помощи лазеров с управляемыми параметрами, в частности, уровнем девиации частоты генерации и временем когерентности, а также возможности создания на их основе оптического когерентного томографа.

Решение данных задач составляет основу работы и соответствует теме диссертации, которая заключается в изучении характеристик лазеров, генерирующих ультра-короткие импульсы; лазеров с активной запаздывающей обратной связью; лазеров с большим числом продольных мод; лазеров, использующихся в проекционных или измерительных системах (ОСТ). В задачи работы входило не только исследование характеристик излучения и методов управления параметрами излучения лазеров, но и разработка практических приложений этих лазерных систем, основанных на особенностях режимов работы лазеров.

Научная новизна работы

1. Впервые обнаружена конструктивная роль цветного стохастического шума при воздействии на режим активной синхронизации мод в твердотельном лазере, которая проявляется в существовании оптимального уровня шума при максимальной области синхронизации и минимальном уровне длительности лазерных импульсов (стохастический резонанс в лазерах).
2. Впервые установлены процессы разрушения режима активной синхронизации мод в твердотельном лазере через возникновение амплитудной модуляции огибающей последовательности оптических импульсов на частоте релаксационных колебаний, приводящих к возникновению регулярного пичкового режима, переходящего через механизм удвоения к хаотическому пичковому режиму.
3. Впервые экспериментально обнаружен аномальный сценарий возникновения динамического хаоса в квантово-размерном инжекционном полупроводниковом лазере при увеличении параметра неравновесности, понижающего размерность автоколебательной системы, отличающийся от традиционного сценария Рюэля-Такенса.
4. Впервые исследован сценарий возникновения хаоса в одномодовых частотно-стабилизированных лазерах с запаздывающей обратной связью в зависимости от вида дисперсионной энергетической характеристики.
5. Предложен и запатентован метод оптической когерентной томографии на основе управления уровнем девиации частоты генерации зондирующего лазера и анализа динамической спекл-корреляционной структуры рассеянного оптического поля.
6. Предложен и запатентован способ определения дисперсии много и маломодовых световодов с помощью полупроводниковых лазеров с управляемой когерентностью.
7. Предложен и запатентован способ подавления лазерных спеклов на основе управления их динамикой.

Научно-практическая значимость работы

1. Исследование механизмов разрушения режима активной синхронизации мод твердотельных лазеров позволяет выработать требования к стабильности длины резонатора и частоты модулятора межмодовых потерь для получения регулярной последовательности лазерных импульсов.
2. Получение режимов с минимальной длительностью оптических импульсов в пичковом режиме в лазере с активной синхронизацией мод. Использование стохастического резонанса для получения максимальной ширины зоны синхронизации и минимальной длительности лазерных импульсов.
3. Предложен и запатентован оптический когерентный томограф, основанный на поперечной динамике спеклов, чувствительный к оптическим неоднородностям.
4. Предложен и запатентован способ и устройство для подавления спеклов в лазерных дисплеях.
5. Предложены спекл-корреляционные технологии определения параметров рассеяния частично-упорядоченных объемных сред, включая биоткани, а также межмодовой дисперсии оптических световодов длиной менее метра при изменении уровня девиации частоты лазера.
6. Предложен спекл-корреляционный способ определения информационного быстродействия коротких оптических световодов за счет управления длиной когерентности лазерных диодов.

Достоверность результатов

Достоверность результатов численного моделирования получила качественное подтверждение в эксперименте. Все оригинальные экспериментальные результаты воспроизводятся при повторении, обработка и анализ экспериментальных данных проводилась на основе апробированных методов, также проводилось сравнение с известными результатами других авторов.

На защиту выносятся следующие основные положения

1. В многомодовом твердотельном лазере с однородно-уширенной линией излучения в режиме активной синхронизации на межмодовой частоте существует оптимальный уровень спонтанного излучения, которому соответствует максимальная ширина зоны синхронизации и минимальная длительность лазерных импульсов.
2. Сценарий разрушения режима активной синхронизации мод YAG:Nd лазера при модуляции потерь в резонаторе на межмодовой частоте (сотни МГц) при изменении частотной расстойки осуществляется через мягкое возбуждение регулярной амплитудной модуляции огибающей оптических импульсов на частоте релаксационных колебаний (десятки кГц); при увеличении частотной расстройки возникает регулярный пичковый режим, переходящий через механизм удвоения периода релаксационных колебаний в хаотический пичковый режим.
3. В многочастотном инжекционном полупроводниковом квантово-размерном лазерном диоде с межмодовым расстояниям в сотни ГГц при возрастании управляющего параметра неравновесности (превышение усиления над потерями ) понижается размерность автоколебательной системы глобально-связанных осцилляторов. При возбуждении четырех продольных мод реализуется режим динамического хаоса, который при дальнейшем увеличении приводит к устойчивому одночастотному режиму генерации, что отличается от традиционного сценария перехода к хаосу Рюэля-Такенса.
4. В частотно-стабилизированных лазерах с нелинейной дисперсионной зависимостью интенсивности от частоты генерации переход к режиму динамического хаоса осуществляется через последовательность удвоения периода колебаний лазерной мощности, определяемой эффективным временем запаздывания.
5. Экспериментально обнаруженный оптический интерференционный эффект поперечной динамики спеклов, возникающий при зондировании оптических волноведущих структур (оптическое волокно), а также частично-упорядоченных рассеивающих объемных сред, реализуется при условии, если время когерентности или обратная величина девиации частоты перестраиваемого зондирующего лазерного излучения становятся соизмеримыми с временем задержки волноводных мод в оптическом волокне или со средним временем фазовой задержки рассеянных волн в объемной среде.

Апробация работы

Результаты работы докладывались и обсуждались на следующих международных и всероссийских конференциях:

1. Synchronization of Chaotic and Stochastic Oscillations 2002, Application in Physics, Chemistry, Biology and Medicine, Saratov, Russia, September 22-28, 2002;
2. Нелинейные Дни для Молодых в Саратове – 2002, Саратов, Россия, 30 сентября-5 октября 2002;
3. International Conference “Photonics West”, San-Jose, USA, 2005;
4. Всероссийский конкурс инновационных проектов «Живые Системы», ВятГу, Киров, Россия, 24-26 ноября 2005;
5. Всероссийская школа-конференция конкурса инновационных проектов студентов и аспирантов по приоритетным направлениям развития науки и техники, МГУ, Москва, 2005;
6. The Third International Conference on Laser Optics for Young Scientist – 2006, St. Petersburg, Russia, 26-30 June, 2006;
7. Нелинейные Дни для Молодых в Саратове 2006, Саратов, Россия, 25 октября -2 ноября 2006;

8-11. International School for Young Scientist and Students on Optics, Laser Physics and Biophysics- Saratov Fall Meeting 1999, 2000, 2001, 2006 Saratov, Russia.

Публикации

По теме диссертации опубликовано 18 печатных работ: 6 статей в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК; 9 статей в трудах международных и всероссийских конференций и три патента РФ на изобретение.

Личный вклад автора

Личный вклад автора состоит в проведении численного моделирования сложной динамики твердотельных и частотно-стабилизированных лазеров; обработке и интерпретации результатов; разработке и проведении экспериментов по управлению спектральными и когерентными свойствами излучения полупроводниковых лазеров; апробации спекл-корреляционных оптических методов диагностики объемных рассеивающих и волноведущих структур. Постановка исследовательских задач по численному моделированию динамики лазеров и обсуждение результатов осуществлялось профессором, д.ф.-м.н. Мельниковым Л.А. Проведение экспериментов осуществлялось совместно с доцентом, к.ф.-м.н. Акчуриным Г.Г.

Работа выполнена в лабораториях кафедр «Лазерной и компьютерной физики» и «Оптики и Биомедицинской физики» ГОУ ВПО СГУ

Гранты

Данные исследования поддерживались грантами РФФИ «Ведущие научные школы» № 96-15-96389; Президента России № 25.2003.2 «Ведущие научные школы », U.S. Civilian Research & Development Foundation for the Independent States of the Former Soviet Union REC-006 и целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы (2006-2008) РПН.2.1.1.4473 и CRDF RUXO-006-SR-06/BP1M06.

Структура и Объем работы

Диссертация состоит из введения, 3 глав, заключения и списка литературы. Общий объем диссертации составляет 128 страниц текста, иллюстрированного 45 рисунками.

Основное содержание работы

Во введении обоснована актуальность работы, ее новизна и практическая значимость; определена цель; представлены основные результаты, полученные в ходе работы, и основные положения, выносимые на защиту.

Первая глава диссертации посвящена численному моделированию процессов разрушения режима вынужденной синхронизации мод в твердотельном лазере. Впервые показано существование оптимального уровня спонтанного шума на ширину зоны синхронизации, приводящего к минимальной длительности лазерных импульсов и максимальной ширине зоны синхронизации.

Исследован процесс формирования лазерного импульса из спонтанного шума и влияние уровня спонтанного излучения на ширину зоны синхронизации твердотельного лазера, а также механизмы разрушения режима синхронизации мод при изменении таких управляющих параметров, как расстройка частоты модуляции потерь и межмодовой частоты, глубина модуляции потерь.

Реализация временного подхода, основанного на лазерных уравнениях Максвелла-Блоха для поля, поляризации и населенности, позволила проанализировать процесс формирования лазерного импульса из спонтанного шума, при этом уравнения в явном виде записывались следующим образом и решались численно:

, (1)

где E(x,y,z,t)=A(z,t)(x,y,z)exp(-it+ikz)+к.с.; A(z,t) – медленно меняющаяся амплитуда поля; (x,y,z) – модовая функция; Г и – скорости релаксации поляризации среды P и нормализованной инверсии D, соответственно; g – коэффициент усиления на единицу длины; L – оптическая длина резонатора.

Модуляция амплитуды оптического поля осуществлялась следующим образом:

Aout=Ain {[(1+ m) + (1 m) Cos mt]/2}1/2, (2)

где m – глубина модуляции потерь, m – частота модуляции.

В системе координат, бегущей вместе с импульсом, первое уравнение принимает вид:

A n+1(t) = An(t) +gP(t), (3)

где An(t) – импульс на n-ом обходе резонатора.

В расчете задавался исходный импульс A0(t), затем рассчитывались P(t)и D(t) с использованием второго и третьего уравнений. Затем комплексная амплитуда импульса на следующем проходе рассчитывается по условию:

A n+1(t) = {An (t)+gP(t)}{1+m+(1-m)cos m(t-T)}1/2 + n (t), (4)

где n (t) – случайная комплекснозначная функция, моделирующая спонтанную эмиссию с временем корреляции 1/Г; T – время обхода резонатора.

Детально проанализирован сценарий разрушения режима синхронизации мод при изменении частотной расстройки, который начинается с возникновения регулярной огибающей последовательности лазерных импульсов на частоте релаксационных колебаний, переходящей к хаотическому режиму через механизм перемежаемости, что отражается в возникновении дополнительных импульсов в определенные моменты времени. При дальнейшем увеличении частотной расстройки возникает регулярный пичковый режим, в котором амплитуда импульсов возрастает более чем на порядок и, соответственно, уменьшается их длительность. Разрушение регулярного пичкового режима осуществляется через сценарий удвоения периода релаксационных колебаний огибающей последовательности импульсов, приводящий к хаотическому пичковому режиму. Основные особенности процесса разрушения последовательности лазерных импульсов представлены на рис.1.

(а) (б)

(в) (г)

Рис.1. Эволюция режимов разрушения вынужденной синхронизации мод для различных частотных расстроек резонатора YAG:Nd лазера: (а) режим стабильной генерации; (б) режим регулярной амплитудной модуляции последовательности лазерных импульсов с периодом релаксационных колебаний; (в) пичковый режим; (г) развитый хаотический пичковый режим, возникающий через последовательность удвоения периода релаксационных колебаний.

В нелинейной динамике при исследовании стохастического резонанса для сигналов с конечной шириной спектральных линий было установлено, что шум может уменьшить ее ширину. Исследование зависимости ширины зоны синхронизации от уровня глубины модуляции потерь при различном значении спонтанного шума впервые показали, что существует его оптимальное значение, при котором ширина зоны синхронизации максимальна. Из результатов расчета, представленных на рис.2, видно существование оптимального значения шума с максимальной шириной зоны синхронизации.

Рис.2. Зависимость ширины зоны синхронизации от глубины модуляции потерь в резонаторе mt при изменении расстройки для различного уровня спонтанного шума: 1 – уровень нормированной мощности шума N= 1010; 2 – N = 10-6; 3 – N = 10-3; ось абсцисс: значения частотной расстройки, 10 кГц.

Во второй главе численно исследованы сценарии перехода от стационарного состояния в режим генерации нерегулярных пульсаций выходной оптической мощности, которые могут возникать в одномодовом лазере с активной системой стабилизации частоты. В зависимости от таких управляющих параметров, как коэффициент усиления обратной связи, превышение лазерного усиления над потерями, отношение однородной ширины линии к доплеровской, исследованы особенности перехода в режим динамического хаоса. Показана возможность возникновения хаотических режимов в лазерах с нелинейно-поглощающей ячейкой, на основе которых реализуются международные эталоны длины.

Рис.3. Сценарий перехода в режим динамического хаоса через последовательность бифуркаций удвоения периода для неоднородно- уширенного одномодового частотно-стабилизированного лазера при изменении коэффициента обратной связи: временная реализация; (а) режим удвоение периода; (б) режим динамического хаоса.

В данной главе представлены экспериментальные результаты принципиально отличного от классического сценария Рюэля-Такенса возникновения динамического хаоса, наблюдаемого в полупроводниковом квантово-размерном многомодовом лазере при изменении такого управляющего параметра неравновесности, как ток инжекции.

Вблизи порога генерации в лазере возбуждаются более 20 стабильных мод с асимметричной лоренцевской огибающей. При этом до порога генерации спектр излучения был сплошной с резонансными пиками на межмодовых частотах. С ростом тока инжекции длина когерентности возрастала, однако вблизи порога не превышала 50 микрон. Сразу после порога генерации возбуждается более 20 продольных мод, при этом длина когерентности вследствие многомодовости не превышает 100 микрон. С ростом тока инжекции, несмотря на линейное возрастание суммарной лазерной мощности, увеличивается нелинейное глобальное взаимодействие мод, которое и вызывает подавление мод на краю линии излучения. Дальнейший рост уровня превышения над потерями понижает размерность автоколебательной системы. Вследствие увеличения степени конкуренции мод, спектр мод прореживается, но остается стабильным, хотя и зависит при фиксированном токе от частотной настройки мод относительно центра линии излучения. При определенном превышении порога жестко возбуждаются 4 продольные моды с соизмеримой интенсивностью, при этом мониторинг спектра мод показал возникновение сильных пульсаций интенсивности мод, их спектральное уширение, нестационарность функции когерентности и резкую потерю контрастности интерференционных полос, их хаотическую девиацию. Типичные интерференционные структуры, соответствующие режиму динамического хаоса и стабильной одночастотной генерации, возникающей при дальнейшем увеличении параметра нелинейности, регулируемого током инжекции, представлены на рис.4. Режим генерации 4-х мод также является нестационарным, сильно зависящим от настройки мод резонатора относительно центра линии излучения. При дальнейшем росте тока инжекции реализуется режим стабильной двухмодовой генерации, скачкообразно переходящий в одномодовый режим.

Рис.4. Изменение контрастности интерференционных полос, полученных с помощью интерферометра Жамена, при увеличении превышения усиления над порогом генерации в квантово-размерном лазерном диоде с =635 нм, вызванного изменением тока инжекции: (а) режим динамического хаоса с жестким возбуждением 4 продольных мод; (б) режим стабильной одночастотный генерации.

Третья глава посвящена разработке спекл-корреляционных методов диагностики фазовых задержек волн в структурно-организованных волноведущих оптических информационных системах, включая оптические световоды, с целью определения модовой дисперсии, определяющей быстродействие с помощью лазеров с управляемым спектром и когерентностью. При диагностике случайных или частично организованных сред, включая биоткани, предлагаемые технологии могут быть положены в основу оптических когерентных томографов.

Приведены результаты экспериментальных исследований поперечной динамики спекл-структур, возникающих в выходном излучении световодов или рассеивающих объемных сред, при зондировании их лазерным излучением с диапазоном перестройки частоты от сотен МГц до сотен ГГц. Показана возможность использования этого интерференционного эффекта для определения дисперсии коротких оптических волокон и фазовых задержек в многократно рассеивающих оптически неоднородных средах. Диапазон изменения зондирующей лазерной частоты в экспериментах составлял
/=10-6…10-4, при этом поперечный размер каждой из возбуждаемых волноводных мод и средние размеры спеклов практически не изменялись.

Спекл-картина в поперечном сечении выходного излучения световода возникает вследствие интерференции всех направляемых волноводных мод (число которых может достигать нескольких тысяч) или рассеянных парциальных волн в оптически неоднородных средах, при этом индивидуальная фазовая задержка в каждой их них различна и зависит от частоты. При перестройке частоты зондирующего излучения лазера происходит изменение условий возникновения интерференции, что вызывает изменение наблюдаемой спекл-картины.

Типичные картины поперечного распределения спекл-структур для лазерного излучения, прошедшего маломодовый световод с фиксированной длиной, для различных дискретных частотных расстроек резонатора He-Ne лазера представлены на рис.5.

Рис.5. Эволюция поперечной спекл-структуры маломодового волокна длиной 5 км (D=9 мкм, NA=0.13) при дискретной перестройке частоты He-Ne лазера с шагом 0.33 ГГц.

Такие же режимы детерминированного изменения спекл-структур наблюдались в много- и маломодовых волокнах, возбуждаемых излучением одночастотного лазерного диода при изменении тока инжекции. Так как диапазон перестройки частоты при изменении тока инжекции может достигать десятков ГГц, а время переключения тока инжекции может составлять менее 1 нс, с помощью спекл-динамического эффекта можно осуществлять наносекундное пространственное управление или кодирование лазерного пучка, прошедшего маломодовое оптическое волокно.

Проведенные эксперименты на многомодовых оптических волокнах различной длины показали, что степень изменения поперечной структуры спекл-картины излучения (прошедшего световод) связанная со средней дифференциальной фазовой задержкой волноводных мод и оцениваемая через двумерный коэффициент пространственной корреляции интенсивности, пропорциональна величине изменения частотной расстройки зондирующего излучения.

Известно, что для используемых типичных многомодовых волокон (D=50 мкм и NA=0.2) характерная величина межмодовой дисперсии, измеряемая с помощью лазерных импульсных или модуляционных методов, составляет 20-30 МГц/км. Результаты вычислений двумерного коэффициента корреляции интенсивности спекл-картины от частотной расстройки при фиксированной длине многомодового волокна представлены на Рис.6.

Рис.6 Зависимость двумерного коэффициента корреляции спекл-структур на выходе многомодового оптического волокна (D=50 мкм, NA=0.2) от перестройки частоты He-Ne лазера.

Предлагаемая когерентно-оптическая методика, основанная на анализе поперечной динамики спеклов, возникающей при зондировании лазерным излучением с перестройкой частоты, может быть использована для диагностики оптически неоднородных случайных или упорядоченных объемных сред. Экспериментально исследовалась динамика спекл-структур при зондировании фторопластовых пластин с различной толщиной – от сотен микрон до 2-х сантиметров, причем максимальная толщина определялась чувствительностью видеокамеры и мощностью зондирующих лазеров.

Рис.7. Зависимость двумерного коэффициента корреляции спекл- структур от перестройки частоты (ГГц) в YAG-Nd лазере с диодной накачкой (=532 нм, Р=4мВт) при зондировании в проходящем свете фторопластовых пластин различной толщины (цифры у кривых)

Как показали эксперименты (рис.7), когерентно-оптический метод при пространственном сканировании зондирующим лазерным пучком позволяет определить локальные пространственные оптические неоднородности по изменению коэффициента корреляции спекл-полей (на этот способ создания когерентного оптического томографа получен патент РФ №.2303393).

Обнаруженный оптический когерентный эффект динамики спеклов может быть положен в основу устройства для подавления лазерных спеклов в интенсивно разрабатываемых в настоящие время лазерных мультимедийный проекторах (патент РФ №2282228).

Эффект подавления спеклов может быть использован для расширения функциональных возможностей лазерного конфокального гейдельбергского ретинотомографа (HRT), используемого для диагностики глаукомы при наличие сопутствующей катаракты.

Рис.8. Подавление спекл-структуры с помощью лазера с девиацией частоты, при периоде сканирования меньшем, чем быстродействие фотодетектора (например, глаза или видеокамеры)

Зондирование структурно-организованных оптических волноведущих сред (короткие световоды) с помощью полупроводникового лазера с управляемой длиной когерентности позволило определять скорость передачи информации, ограниченной модовой дисперсией, на основе измерения контрастности спекл-структуры на выходе волокна.

Рис.9. Эволюция изменения контрастности спекл-картины на выходе типичного многомодового кварцевого оптического волокна (D=50; NA=0.2) длиной 10 см при зондировании лазерным диодом с перестраиваемой длиной когерентности: (а) максимальная контрастность – одночастотный режим, время когерентности >100 нс; (б) время когерентности tc= 2 пс; (в) tc =300фс

Контрастность спекл-картины, получаемой при зондировании излучением лазерного диода, работающем в одночастотном режиме, достигала максимального значения. Время когерентности зондирующего лазерного излучения, соответствующее уменьшению контрастности спекл-картины в 2 раза, определяло величину модовой дисперсии.

В заключении сформулированы основные результаты.

Основные результаты

1. С помощью численного моделирования исследованы основные сценарии разрушения режима вынужденной синхронизации мод в твердотельном лазере при изменении частотной расстройки, которые получили свое качественное подтверждение в экспериментах, известных в литературе.
2. Для многомодового твердотельного лазера с однородно-уширенной линией излучения в режиме активной синхронизации на межмодовой частоте установлено, что существует оптимальное значение уровня спонтанного шума, при котором ширина зоны синхронизации максимальна, а длительность лазерных импульсов минимальна, что соответствует максимальной сфазированности мод.
3. Экспериментально обнаружен аномальный, по сравнению традиционным сценарием Рюэля-Такенса, переход в режим динамического хаоса в полупроводниковом лазерном диоде с частотным межмодовым расстоянием в сотни ГГц (автономная нелинейная система с глобальной связью) при возрастании такого управляющего параметра неравновесности, как превышение усиления над потерями.
4. Проведенные численные эксперименты позволили установить, что в одномодовых лазерах с активной системой стабилизации частоты необходимо тщательно следить за такими управляющими параметрами, как усиление в системе цепи обратной связи и степень нелинейности в частотном дискриминаторе активного или пассивного элемента лазера, иначе частотно-стабилизированный лазер может превратиться в оптический генератор шума.
5. Обнаружен и интерпретирован интерференционный эффект динамики спеклов, возникающий при зондировании стационарных случайных или частично-упорядоченных оптически-неоднородных объемных сред и волноведущих информационных систем излучением лазеров с перестраиваемой частотой. Апробирован и запатентован на его основе спекл-корреляционный метод определения эффективных фазовых задержек в коротких (менее метра) мало и многомодовых световодах и рассеивающих средах.
6. Предложен и запатентован спекл-корреляционный оптический когерентный томограф, основанный на динамике спеклов с возможностью зондирования сильно-рассеивающих сред толщиной несколько сантиметров.
7. Запатентован способ и устройство для подавления спеклов в мультимедийных лазерных дисплеях.
8. На основе возможности управления когерентными свойствами лазерных диодов предложен и запатентован спекл-корреляционный способ определения временных задержек в пико- и фемтосекундной области, позволивший измерить модовую дисперсию многомодовых световодов длиной менее 10 сантиметров.

Список цитированных источников

л1. Fercher A.F. Optical coherence tomography // J. Biomed. Opt. 1996, vol.1, p.157-173.

л2. Optical Biomedical Diagnostics. Handbook ed. V.V. Tuchin. SPIE Press monography V PM 107, 2003.

л3. Херман Й., Вильгельми Б. Лазеры сверхкоротких световых импульсов. М.: Мир, 1986.

л4. Голяев Ю.Д., Лантратов С.В. Активная синхронизация мод непрерывных лазеров на гранате с неодимом // Квантовая электроника, 1983, Т.10, №5, с. 925-931.

л5. Хакен Г. Лазерная светодинамика. М: Мир, 1988,

л6. Анищенко В.С., Астахов В.В., Вадивасова Т.Е., Нейман А.Б., Стрелкова Г.И., Шиманский-Гайер Л. Нелинейные эффекты в хаотических и стохастических системах. Москва-Ижевск: Институт компьютерных исследований, 2003, 529 с.

л7. Ораевский А.Н. Динамика одномодовых лазеров и динамический хаос // Изв. Вузов. Прикладная нелинейная динамика, 1996,т. 4, №1, с.3-32.

л8. Mork J.,Tromborg B.,Christiansen P. Bistability and low-frequency fluctuations in semiconductor laser with optical feedback // IEEE J. Quantum Electronics. 1988,.vol. 24, N 2., p. 123-130.

л9. Рюэль. Д., Такенс Ф. Странные аттракторы. М: Мир, 1982.

л10. Кузнецов С.П. Динамический хаос. М.: Физматлит, 2001.

Список литературы, опубликованный по теме диссертации

1. Акчурин Г.Г., Акчурин А.Г. Оптический хаос в одномодовом частотно-стабилизированном лазере // Изв. ВУЗ. ПНД, 2000, том 8, № 2, с. 57-66.
2. Акчурин Г.Г., Акчурин А.Г. Фотохромная спекл-диагностика объемных рассеивающих сред и оптических световодов лазерами с перестраиваемой частотой // Письма в ЖТФ, 2004, том 30, вып. 24, с.56-62.
3. Акчурин Г.Г., Акчурин А.Г. Когерентная поперечная динамика спеклов при зондировании стационарных объемных рассеивающих сред лазером с девиацией частоты // Опт и спектр, 2005, том 98, вып. 2, с. 300-308.
4. Акчурин Г.Г., Акчурин А.Г. Аномальный сценарий возникновения динамического хаоса в многомодовых лазерных диодах // Письма ЖТФ, 2005,том 31,вып. 10, с.76–82.
5. Акчурин А.Г., Акчурин Г.Г., Мельников Л.А. Процесс разрушения режима вынужденной синхронизации мод в твердотельном лазере и аномальное влияние уровня спонтанного шума на ширину зоны синхронизации // Письма ЖТФ, 2006, том 32, вып. 13, с. 80-87.
6. Акчурин Г.Г., Акчурин А.Г. Спекл-корреляционный метод определения дисперсии световодов и параметров рассеяния в оптически неоднородных средах лазерами с девиацией частоты // Приборы и техника эксперимента, 2006, № 4, с. 110-115.
7. Патент РФ на изобретение № 2282228; Способ подавления лазерных спеклов в оптических сканирующих дисплеях и устройство для его осуществления (варианты). Акчурин А.Г., Акчурин Г.Г., 2006.08.20, Бюл.№ 21.
8. Патент РФ на изобретение № 2303393 Способ оптической когерентной томографии. Акчурин А.Г., Акчурин Г.Г., 2007.07.27, Бюл.№ 21.
9. Положительное решение по заявке на изобретение № 2006124963: Способ определения дисперсии оптических волноведущих систем; Акчурин А.Г., Акчурин Г.Г., Скибина Ю.С. 26.04.2007.
10. Akchurin A.G., Akchurin G.G Optical chaos in single –mode frequency stabilized laser // Proc.SPIE, 2000, vol. 4002, p. 114-120.

11. A.G. Akchurin, G. G. Akchurin, L. A. Melnikov Optical dynamic chaos in gas-discharge laser with delayed feedback //Proc.SPIE, 2001, vol.4243, p.75-78.

12. Akchurin A.G., Akchurin G.G, Mel`nikov L.A. Anomalous action of spontaneous emission on the bandwidth of synchronization YAG:Nd actively mode-locked laser // SYNCHRO, Saratov, Russia, 2002 p. 14.

13. A. G. Akchurin, G. G. Akchurin, L. A. Melnikov Anomalous action of spontaneous emission on the bandwidth of synchronization in YAG:Nd mode-locked laser //Proc.SPIE, 2002, vol.4706, p.13-17.

14. Акчурин А.Г. Эволюция формирования лазерного импульса в режиме активной синхронизации мод и механизмы его разрушения // Нелинейные дни для молодых в Саратове, Россия, 2002, c. 34-37.

15. A.G. Akchurin, G.G. Akchurin. Transverse dynamics of speckles in output radiation of optical fiber and determination of intermode dispersion generated under probing of laser diode with GHz frequency deviation // Proc.SPIE, 2005, vol.5727, p.186-192.

16. Акчурин А.Г., Бондаренко О. А. Лазерный ретинотомограф с девиацией частоты для диагностики глаукомы при наличии катаракты // Сборник трудов всероссийского конкурса инновационных проектов «Живые Системы», ВятГу-2005, c. 5-9.

17. Akchurin A.G., Akchurin G.G. Using tunable lasers for photochromic coherent speckle diagnostics of bulk scattering media // LOYS, St. Petersburg, Russia, 2006, p. 76-77.

18. Акчурин А.Г. Аномальный сценарий возникновения динамического хаоса в многомодовых лазерных диодах // Нелинейные дни для молодых в Саратове, Россия, 2006, c. 28-31.

Акчурин Александр Гарифович

РЕГУЛЯРНАЯ И ХАОТИЧЕСКАЯ ДИНАМИКА ЛАЗЕРОВ С АКТИВНОЙ СИНХРОНИЗАЦИЕЙ МОД И В АВТОНОМНОМ РЕЖИМЕ С УПРАВЛЯЕМЫМИ ПАРАМЕТРАМИ ДЛЯ ОПТИЧЕСКОЙ ДИАГНОСТИКИ

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата физико-математических наук

Подписано в печать 05.10.2007

Формат 6084 1/16. Объем 1,0 п.л. Тираж 100 экз. Заказ 112

Типография Издательства Саратовского университета

410012, Саратов, Астраханская, 83