Размещено на http://www.Allbest.ru/

Размещено на http://www.Allbest.ru/

Специальность 05.27.03 - Квантовая электроника

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Тема:

Формирование и наведение лазерных пучков с помощью внутрирезонаторных пространственно-временных модуляторов света

Алексеев В.Н.

Сосновый Бор - 2009

Работа выполнена в Научно-исследовательском институте комплексных испытаний оптико-электронных приборов и систем (НИИКИ ОЭП, г. Сосновый Бор Ленинградской обл.)

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук В.В. Данилов

доктор технических наук, профессор В.Ю. Храмов

доктор технических наук, профессор Г.Н. Мальцев

Ведущая организация: ИЛФИ ВНИИЭФ, г. Саров

Ваши отзывы и замечания (в двух экземплярах) по автореферату просим высылать по адресу: 197101, Санкт-Петербург, Кронверкский пр., 49, секретарю диссертационного совета Д212.227.01.

Ученый секретарь диссертационного совета Д212.227.01 В.М. Красавцев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

Импульсные лазеры высокой мощности нашли многочисленные применения в различных областях науки и техники. Одним из основных применений является использование их для исследований в области взаимодействия излучения с веществом, в частности в области лазерного термоядерного синтеза (ЛТС) при длительностях импульса 0.1…3•10^-9 с. Лазеры сочетают большую мощность излучения и его высокую направленность. Это позволяет при фокусировке лазерного излучения на мишень получать большие концентрации энергии и огромные скорости тепловыделения в малых объемах вещества. На возможность получения высокотемпературной плазмы при взаимодействии сфокусированного излучения с веществом впервые было указано Н.Г. Басовым и О.Н. Крохиным. Развитие этой идеи в течение последующего времени стимулировали теоретические и экспериментальные исследования в области создания мощных лазерных систем вплоть до наших дней. При проведении исследований экспериментаторам пришлось столкнуться с линейными и нелинейными эффектами, которые ограничивают мощность лазерных систем, в первую очередь лазеров на неодимовом стекле, характеристики которых наиболее полно отвечают всем требованиям, необходимым для проведения работ по ЛТС. Это и разрушения покрытий оптических элементов в пиках интенсивности модуляций пучка, возникающие в основном из-за дифракции излучения на входной диафрагме и других апертурах лазера. Это и нелинейный эффект мелкомасштабной самофокусировки излучения, приводящий к появлению ореола вокруг основного пучка, в который перекачивается большая доля энергия основного пучка, а внутри оптических элементов лазера появляются нитевидные повреждения. На неустойчивость плоской электромагнитной волны при распространении в нелинейной среде и ее распад на мелкие фрагменты и их самофокусировку впервые указали В.И. Беспалов и В.И. Таланов.

В целом ряде лабораторий в мире разрабатывались и исследовались методы подавления этих нежелательных явлений, такие как аподизация пучка для подавления дифракции Френеля, ретрансляция действительного изображения аподизирующей диафрагмы в усилительном канале для получения пучков с высоким коэффициентом заполнения. Нерегулярные возмущения пучка, вызванные дефектами оптических элементов, было предложено подавлять с помощью пространственной фильтрации пучка. Повышение энергии и мощности лазерного излучения потребовало разработки выходных каскадов лазеров имеющих большую световую апертуру, в частности дисковых усилителей (ДУ).

Исследования показали, что отличающиеся оптические схемы лазеров, различия в используемых усилительных каскадах и длительностях импульсов не позволяют в полной мере использовать результаты, полученные на других лазерных установках при проектировании новой установки. Действительно, для различных длительностей и марок стекол по-разному на ограничения яркости канала сказывается насыщение усиления. Коэффициенты передачи наиболее усиливаемых пространственных частот могут иметь большие отличия, что является определяющим при выборе полосы пропускания пространственных фильтров. Поэтому необходима предварительная экспериментальная отработка лазерного канала.

За последние годы расширились области применения лазеров. Они требуют не только высокоэнергетических пучков наносекундного диапазона длительностей импульсов с расходимостью близкой к дифракционной, но и точного наведения пучков на объекты. Актуальными становятся такие задачи как передача энергии с помощью лазерного пучка на большие расстояния, дальняя лазерная локация и связь, обеспечение энергией ракетных и электрореактивных двигателей, воздействие на удаленные объекты (например, “космический мусор”) с помощью возникающей плазмы. Точное и быстрое перенацеливание лазерного пучка весьма актуально в технологических процессах обработки изделий в промышленности, при лазерной маркировке изделий, в различных военных применениях.

В настоящее время прослеживается тенденция к развитию информационных лазерных систем с активной подсветкой пространства в области объекта, при расходимости лазерного излучения близкой к дифракционной, так как для подсветки или получения изображения объекта не требуется посылки мощного излучения для подсветки всего поля зрения приемной системы. Такие системы могут быть использованы как для получения координат объектов и траекторий их движения, так и для получения лазерных изображений объектов. Причем чем меньше угловой размер объекта и чем выше угловая скорость его движения, тем все более точные и быстродействующие системы управления лазерным пучком необходимо использовать.

Существует большое количество устройств управления лазерным пучком в пространстве. Это оптико-механические устройства, в основу которых положены механические перемещения в пространстве преломляющих и отражающих элементов, дефлекторы на основе электрооптических и магнитооптических эффектов в твердых и жидких средах, магнитострикционные дефлекторы, дефлекторы на основе обратного пьезоэффекта и взаимодействия световых и акустических волн и т.д. В настоящее время наиболее проработаны конструкции устройств на основе механических перемещений оптических элементов в пространстве. Они еще не исчерпали своих возможностей, но имеют ряд недостатков, связанных как с недостаточной точностью механических приводов, так и с их инерционностью. Недостатки существующих дефлекторов заставляют искать новые возможности управления лазерным пучком.

Перспективным способом управления пучком в пространстве может стать сравнительно недавно появившийся метод внутрирезонаторного управления диаграммой направленности лазерного излучения с помощью пространственно-временных модуляторов света (ПВМС). Традиционные методы осуществляют наведение лазерного пучка вне лазерного резонатора. При внутрирезонаторном управлении сам резонатор лазера с помощью ПВМС формирует направление излучения на объект. Достоинством метода является отсутствие подвижных оптико-механических элементов. Быстрота наведения зависит только от быстродействия ПВМС.

Впервые использование ПВМС в сопряженном лазерном резонаторе предложено и реализовано в работе Myers R.A и Pole R.V. ПВМС на основе электрооптического кристалла КDР управлялся с помощью электронного пучка. В работах Владимирова Ф.Л. с сотр. и Корнева А.Ф. с сотр. впервые использовался в сопряженном резонаторе светоуправляемый ПВМС. В работах Данилова В.В.с сотр. исследовалась возможность использования ЖК модуляторов в лазерах среднего ИК-диапазона. На макете модулятора получено сканирование излучения СО2 лазера с мощностью 0.1 Вт при частоте 100 Гц. В нашей работе [22] в лазере использован ПВМС типа PROM. Недостатками первого ПВМС является сложная система управления электронным пучком и необходимость сложной системы охлаждения кристалла. Жидкокристаллические модуляторы и ПВМС типа PROM имеют невысокую лучевую прочность (~ 0.1 Дж/см²). Их быстродействие ограничено временами, превышающими несколько сотен микросекунд. В связи с вышесказанным, представленные в рамках настоящей работы результаты исследований в области формирования мощных лазерных пучков, результаты исследований по минимизации угловой расходимости мощных лазеров и разработка нового внутрирезонаторного ПВМС, несомненно, являются актуальными.

Целью работы является разработка и исследование методов увеличения мощности лазерных пучков, уменьшения их угловой расходимости до близкой к дифракционной и средств их точного наведения с помощью внутрирезонаторных ПВМС.

Для достижения поставленной цели основное внимание в работе сконцентрировано на решении следующих задач:

- разработка схем лазеров на неодимовом стекле с оптической ретрансляцией действительного изображения входной апертуры в усилительном канале, периодической пространственной фильтрацией излучения и проведение экспериментальных исследований эффектов, ограничивающих мощность пучка;

- разработка дисковых усилителей с апертурой до 15 см, исследование методов повышения их эффективности;

- разработка лазерной системы на неодимовом стекле с обращением волнового фронта излучения (ОВФ), основанного на эффектах вынужденного рассеяния Мандельштама - Бриллюэна (ВРМБ) в нелинейных средах, проведение экспериментальных исследований по минимизации расходимости пучка;

- разработка лазерной системы на неодимовом стекле, диаграммой направленности которой управляет внутрирезонаторный ПВМС;

- разработка методики исследования точности управления пучком, экспериментальное исследование точности управления;

- анализ возможных схем построения лазерных систем с внутрирезонаторным управлением диаграммы направленности излучения;

- разработка внутрирезонаторного электроуправляемого ПВМС на основе электрооптической керамики цирконата титаната свинца, легированного лантаном (ЦТСЛ);

- разработка оптических схем резонаторов для реализации лазеров с электроуправляемыми ПВМС;

- экспериментальная реализация лазеров на алюмоиттриевом гранате с внутрирезонаторным электроуправляемым ПВМС;

- разработка схем и исследование лазерных систем с внутрирезонаторным управлением диаграммы направленности;

- разработка и расчет оптической схемы и энергетических характеристик лазера на неодимовом стекле с энергией пучка 600-700 Дж в импульсе, направлением излучения которого управляет разработанный ПВМС;

- проведение предварительных исследований и реализация внутрирезонаторного управления диаграммой направленности лазера на парах меди и нецепного электроразрядного DF лазера.

Методология работы

Для повышения яркости излучения лазерных систем используется техника передачи изображения входной апертуры или выходного зрачка задающего генератора в усилительном тракте и периодическая пространственная фильтрация излучения, выходные ДУ. Расчет оптических систем производится методами матричной оптики. В качестве основного метода уменьшения угловой расходимости лазерных систем используется ОВФ излучения в нелинейных средах.

Управление диаграммой направленности пучка осуществляется с помощью светоуправляемого или электроуправляемого пространственного модулятора света. Исследование точности наведения лазерного излучения осуществляется подсветкой дальнопольными распределениями реперного и силового пучков сетки на фотокатоде электронно-оптического преобразователя в кадровом режиме работы. Оптические схемы с поляризационными, электрооптическими, фазовыми элементами предварительно численного моделируются с помощью матриц Джонса.

Энергетические расчеты лазерных систем проводятся с учетом насыщения усиления при использовании экспериментально полученных данных по величинам потоков насыщения.

Измерение пространственных, временных и поляризационных характеристик лазерного излучения производится по стандартным общепринятым методикам. Юстировка лазерных систем производится на рабочей длине волны с помощью оптических приборов.

Научная новизна

1. Экспериментально исследованы методы формирования мощного лазерного пучка в многокаскадных усилителях на неодимовом стекле. В несколько раз повышена мощность излучения за счет подавления мелкомасштабной самофокусировки (МС). Обнаружено, что МС вызывает сильную деполяризацию лазерного пучка. Показано, что при последующем усилении пучка после пространственного фильтра (ПФ) самофокусировка возникает на пространственной частоте пропускания ПФ. Экспериментально показано, что мощность пучка, сформированного жесткой диафрагмой установленной перед ПФ с широкой полосой пропускания не ниже, чем в схеме с использованием аподизирующей апертуры.

2. Разработаны дисковые усилители с апертурой до 15 см с эффективной поперечной системой накачки с коэффициентом усиления 0.05 см^-1. С помощью разработанных поглощающих покрытий решена задача подавления паразитной генерации в активных элементах ДУ, ограничивающая коэффициент усиления на уровне ~0.03 см^-1. Измерением коэффициентов усиления слабого сигнала впервые экспериментально показано, что выбором формы импульса тока в лампах накачки можно на 15… 25% увеличить уровень запасенной энергии в активной среде лазера. На выходе мощной лазерной системы, в оптическую схему которой заложены ретрансляция входной апертуры, периодическая пространственная фильтрация и выходные ДУ получен выходной пучок мощностью до 300 ГВт без заметных потерь вследствие МС при _и ? 8·10^-10 с.

3. На выходе многокаскадной лазерной системы на неодимовом стекле с ретрансляцией изображения входной диафрагмы в усилительные каскады и на ВРМБ-зеркало, периодической ПФ излучения и выходного ДУ с помощью ОВФ излучения в нелинейных средах впервые получен лазерный пучок с энергией до 410 Дж при длительности импульса 25 нс с расходимостью пучка близкой к дифракционной. Половина энергии пучка сосредоточена в дифракционном угловом растворе 4•10^-5 радиан.

4. Обнаружено, что при ОВФ сканирующего в пространстве пучка в дальнопольной картине распределения интенсивности обращенного пучка возникают пространственные разрывы, в то время как временной ход отраженного излучения непрерывен во времени.

5. Впервые проведены эксперименты по внутрирезонаторному управлению диаграммой направленности пучка мощного лазера на неодимовом стекле. Разработана методика исследования точности наведения. Экспериментально показано, что ошибка наведения не превышает 0.3 от величины дифракционной расходимости пучка. Экспериментально установлено, что двукратное ОВФ пучка с диаметром 100 мм не может изменить его направление на величину, превышающую 0,1 от его дифракционной расходимости.

6. Разработан внутрирезонаторный электроуправляемый ПВМС на основе электрооптической керамики ЦТСЛ, работающий в широком спектральном диапазоне длин волн, с временем электрооптического отклика почти на два порядка меньшим и с лучевой прочностью на два порядка большей, чем у используемых на практике пространственных модуляторов.

7. Разработана оптическая схема лазерного резонатора для реализации двухкоординатного сканирования излучения. Впервые показана возможность адресации излучения с помощью разработанного ПВМС в любую заданную точку поля зрения в течение 3-4 мкс. Предложен и экспериментально исследован сопряженный резонатор, одна из линз которого цилиндрическая.

8. С помощью разработанных модуляторов впервые реализовано внутрирезонаторное управление диаграммой направленности лазера на парах меди (длины волн генерации 0.5106 мкм и 0.5782 мкм) и химического нецепного электроразрядного DF-лазера (длины волны генерации 3.5 … 4.1 мкм).

Основные результаты работы, выносимые на защиту

1. Результаты экспериментальных исследований в области формирования мощных лазерных пучков, в несколько раз повысившие мощность излучения и позволившие создать высокоэнергетические многокаскадные лазерные системы на неодимовом стекле. Результаты экспериментального исследования обнаруженной деполяризации лазерного пучка при развитии МС излучения. Разработка ДУ с высокой эффективностью системы накачки. Экспериментальная демонстрация повышения эффективности лазерных усилителей за счет использования импульса накачки с нарастающей во времени интенсивностью и крутым срезом. Результаты экспериментального определения потоков насыщения в неодимовом стекле, позволяющие проводить энергетический расчет лазерных систем.

2. Результаты экспериментального исследования ОВФ сканирующего в пространстве пучка, позволившие установить, что в случае быстрой развертки пучка до возникновения новой гиперзвуковой голограммы в каустике пучка отражение излучения ВРМБ-зеркалом происходит в первоначальном направлении, после появления новой гиперзвуковой голограммы отражение происходит в двух направлениях, постепенно увеличиваясь в новом направлении.

3. Методика и результаты исследования точности управления диаграммой направленности пучка мощной лазерной системы с ОВФ излучения с помощью ПВМС при расходимости выходного пучка близкой к дифракционной, показавшие, что ошибка его наведения не превышает 0.3 от его дифракционной расходимости.

4. Быстродействующие внутрирезонаторные пространственные модуляторы света на основе электрооптической керамики ЦТСЛ с двухсторонними заглубленными в материал подложки электродами, обладающие высокой лучевой прочностью (до 11 Дж/см² для длительности импульса ? 30 нс), временем электрооптического отклика ~1 мкс, с частотой переключения несколько кГц (в пакетном режиме работы до 100 кГц), прозрачные в спектральном диапазоне 0.5…6 мкм.

5. Оптическая схема резонатора с внутрирезонаторным двухкоординатным сканированием и результаты исследования характеристик его излучения, показавшие возможность адресации излучения в любую заданную точку поля зрения системы в течение 3-4 мкс и возможность формирования пакета импульсов в разных направлениях с частотой следования импульсов в пакете до 100 кГц. Оптическая схема сопряженного лазерного резонатора с лучевой разгрузкой и увеличенным съемом запасенной в активной среде энергии. Оптические схемы резонаторов с двухкоординатным управлением диаграммы направленности и установкой пластин модуляторов у одного зеркала резонатора.

6. Реализация резонаторов лазера на парах меди и DF лазера, показавшая, что при использовании ПВМС на основе ЦТСЛ керамики возможно внутрирезонаторное управление диаграммой направленности пучка для лазеров с длинами волн излучения в диапазоне от 0.5 до 4.1 мкм.

Практическая значимость

Использование результатов исследования методов формирования мощных лазерных пучков позволило разработать лазерные системы с рекордными по совокупности параметров (мощность и угловая расходимость пучка) характеристиками. Это шестиканальная лазерная установка “Прогресс”, для проведения исследований в области ЛТС с суммарной мощностью пучков до 1,2 ТВт (ф ? 2·10^-10 с), лазерная система с ОВФ с энергией пучка около 400 Дж (ф ? 25 нс), больше половины которой сосредоточено в угловом растворе, равном дифракционному углу для пучка с диаметром 100 мм, лазерная система с энергией до 800 Дж для проведения исследований по ВРМБ компрессии импульса для задач ЛТС. Результаты исследований позволяют рассчитывать как усилительные каскады лазеров, так и энергетические характеристики многокаскадных усилителей.

Результаты исследований ОВФ сканирующего в пространстве пучка могут быть использованы как для оценки скорости затухания гиперзвука в новых нелинейных средах, так и для формирования дальнопольных распределений пучка вытянутых на несколько дифракционных углов в заданном направлении.

Экспериментально показана возможность точного и быстрого наведения мощного лазерного пучка с помощью внутрирезонаторного ПВМС в заданную точку пространства в поле зрения лазерной системы. Это позволит решить задачу передачи энергии с помощью лазерного пучка на большие расстояния, на летательные аппараты на реактивной и электрореактивной тяге, обеспечить дальнюю космическую связь и локацию удаленных объектов.

Использование результатов работы позволит создать лазерные локаторы, обладающие качественно новыми характеристиками, такими, как возможность одновременного сопровождения нескольких объектов, находящихся в поле зрения, устранения влияния колебаний носителя на точность адресации излучения, включения пикселя модулятора, положение которого соответствует координате упреждения. ПВМС локатора может быть оптически и через компьютер сопряжен с ПВМС высокоэнергетического лазера для оказания воздействия на объекты с помощью возникающей плазмы.

Внутрирезонаторное управление лучом позволило создать уникальный лазерный маркер изделий промышленности, который может дистанционно маркировать движущиеся на конвейере изделия, причем на каждом следующем изделии надпись может быть другой.

Задающий генератор мощной лазерной системы с внутрирезонаторным управлением диаграммы направленности излучения позволяет точно направлять лазерный пучок в заданную точку пространства и удерживать его на объекте. Причем во всех этих случаях могут отсутствовать подвижные оптико-механические элементы для наведения пучка.

Апробация работы и публикации

Результат работы докладывались на отечественных и международных конференциях: “Оптика лазеров” (Ленинград, 1979 г, 1981 г, 1983 г, 1989 г, 1993 г); Всесоюзной конференции "Теоретическая и прикладная оптика" (Ленинград, 1986 г); Всесоюзном совещании по нерезонансному взаимодействию оптического излучения с веществом (Ленинград 1981, Вильнюс 1984 г); International Conference TFC'91 (Riga, 1991); Seventh European Meeting on Ferroelectricity (Dijon, France, 1991); CLEO/Europe'98 (Glasgow, Great Britain, September 13 -18); XXVI European Conf. on Laser Interaction with Matter (“ECLIM 2000”, Prague, 2000); 3 International Conference “Advanced optical materials and devices” ( Riga, Latvia, 2002); Совещании “Кремний - 2004” (Иркутск, 5-9 июля 2004); VI Всероссийской конференции “Проблемы создания лазерных систем” (г. Радужный 1-3 октября 2008 г). По материалам работы проведены семинары в ПИЯФ РАН (г. Гатчина) и НИТИ (г. Сосновый Бор). По результатам диссертации опубликовано 69 работ, в том числе 35 статей и 7 авторских свидетельств на изобретения СССР и патентов РФ. Диссертационная работа проводилась в рамках тематик НИР, выполняемых в НИИКИ ОЭП по заказам МОП СССР, Российского агентства по атомной энергии, МО РФ, Министерства промышленности и энергетики РФ.

Реализованы следующие научные результаты, полученные в диссертационной работе:

- результаты исследований в области формирования мощных лазерных пучков и минимизации их угловой расходимости использованы при создании в НИИКИ ОЭП шестиканальной лазерной установки “Прогресс” для решения задач ЛТС, при создании лазерного адаптивного стенда “ЛАС”, проекте №108 МНТЦ;

- техническая документация на ДУ, результаты исследования ДУ и оптимизации схем мощных лазеров с оконечными ДУ внедрены в РФЯЦ-ВНИИТФ;

- схема лазера с сопряженным резонатором и цилиндрическим объективом защищена патентом РФ и использована при создании в НИИКИ ОЭП лазерного маркера движущихся изделий;

- схемотехника формирования расходимости излучения близкой к дифракционной в ЗГ с сопряженным резонатором и разработанные ПВМС с системой управления внедрены в ИЛФИ РФЯЦ ВНИИЭФ.

Личный вклад автора

Участие автора в получении научных результатов заключалось как в постановке большинства экспериментов, так и в личном участии в экспериментах, обработке и интерпретации их результатов. Автор разработал большинство оптических схем лазеров и лазерных систем, предложил методику исследования точности наведения. Лично провел эксперименты по исследованию возможности использования ЦТСЛ внутри резонатора. Инициировал разработку технологии изготовления ПВМС на основе ЦТСЛ в НИИКИ ОЭП. Проанализировал возможности установки пластин ПВМС у одного из зеркала резонатора. Показал важность согласования размера пикселя ПВМС с диаметром внутрирезонаторной диафрагмы для получения угловой расходимости пучка близкой к дифракционной. Большинство публикаций статей, патентов и докладов на конференциях подготовлены автором работы.

На разных этапах исследований в работе принимали творческое участие сотрудники института: Чернов В.Н., Дмитриев Д.И., Жилин А.Н., Решетников В.И., Сиразетдинов В.С., Григорьев К.В., Котылев В.Н., Либер В.И., Ловчий И.Л.; сотрудники НИИ ФТТ Латвийского Университета: Э. Клотиньш и Ю. Котлерис; сотрудник НИИЭФА Фомин В.М. Автор благодарен сотрудникам ИЛФ Маку А.А. и Сомсу Л.Н. за помощь в постановке отдельных исследований, Н.Н. Розанову и его коллегам за создание программ расчета ДУ и коэффициентов передачи пространственных частот возмущений в канале. Автор благодарен директору НИИ ФТТ А. Штернбергу за предоставление образцов ЦТСЛ различного состава. Автор благодарен А.Д. Старикову и Н.И. Павлову за постоянный интерес к работе и ее поддержку.

Объем и структура диссертации

Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и приложений, содержит 260 страниц машинописного текста, включает 129 рисунков, 8 таблиц, 191 ссылку на литературу. Во введении рассматривается актуальность, цель, и задачи диссертационной работы, научная новизна результатов, приводятся положения, вынесенные на защиту, практическая ценность полученных результатов, апробация работы и публикации, личный вклад автора. Кратко описывается содержание работы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В главе 1 рассмотрены результаты исследований в области формирования высокоэнергетических лазерных пучков. Рассмотрены методы уменьшения расходимости лазерных пучков, особенности схемного построения лазеров с внутрирезонаторным управлением диаграммы направленности. В начале главы приведен краткий обзор своих работ и работ других авторов, посвященных разработке и исследованию методов повышения мощности лазерных пучков и разработке ДУ.

В разделе 1.1 рассмотрены причины ограничения энергии и ухудшения расходимости световых пучков в лазерных системах на неодимовом стекле.

Отмечается, что аподизация пучка эффективно подавляет дифракцию Френеля, но в реальных лазерных усилителях при числах Френеля N = 15…30 не позволяет получить пучки с высоким коэффициентом заполнения г, от которого напрямую зависит энергия пучка. Экспериментально продемонстрирована возможность почти двукратного (до 50 Дж при длительности импульса 10^-9 с) увеличения энергии лазерного пучка при установке после предварительного усилителя аподизирующей диафрагмы с высоким коэффициентом заполнения пучка (г ? 0.8) и ретрансляции плоскости её действительного изображения в наиболее нагруженные каскады (Ш45Ч630 мм) усилителя с помощью оптического ретранслятора [1]. Применение такой схемотехники приводит к тому, что при приближении к плоскости изображения диафрагмы дифракционные возмущения в пучке уменьшаются по амплитуде и полностью исчезают в плоскости изображения, что минимизирует отношение пиковой плотности энергии в пучке к средней плотности.

Использование вакуумных пространственных фильтров (ВПФ) [2] позволяет согласовывать апертуры усилительных каскадов, транслировать в канале плоскость изображения входной апертуры, в сильной степени предотвращает самовозбуждение усилителя, подавляет мелкомасштабные шумы, возникающие из-за наличия мелких дефектов в каскадах усиления. Показано, что использование ВПФ, который устраняет высокочастотный шум в пучке с энергией менее 5% от полной энергии, приводит к увеличению энергия пучка при последующем усилении почти в 3 раза, а МС возникает на граничной частоте пропускания ВПФ (рисунок 1).

Предложено вместо аподизирующей диафрагмы использовать жесткую диафрагму при установке за ней пространственного фильтра с широкой полосой пропускания [3,4]. Показано, что использование этих методов при коротком импульсе подавляет МС излучения и вызванную МС деполяризацию пучка [5].

Дальнейшее увеличение энергии пучка возможно только при использовании широкоапертурных выходных каскадов, из которых наиболее предпочтительны ДУ [6-8], обладающие высокой равномерностью усиления в поперечном сечении и малой величиной термооптических искажений [12].

Рисунок 1. Зависимость пропускания Т ВПФ от энергии Е входного пучка и зависимость Ец(Е₀) для ц = 0,75 мрад на выходе последующего усилителя от входной энергии Е₀ в отсутствие (1) и при наличии (2) диафрагмы в фильтре

Сверху отложены значения интеграла распада пучка В для усилительного канала до ВПФ и для каскада Ш60 мм после фильтра. Граничная частота пропускания ВПФ K_гр? 37 см^-1. Длительность лазерного импульса 1•10^-9 с.

Приведены результаты исследования многокаскадной лазерной системы с периодической пространственной фильтрацией и выходным ДУ [17], схема которой показана на рисунке 2. Впервые фильтровался пучок с энергией около 70 Дж. При длительности импульса 0,8 нс получен пучок диаметром 70 мм с энергией до 235 Дж (290 ГВт), 80% которой заключено в угловом растворе 0,75 мрад.

Рисунок 2. Схема установки. Апертуры усилительных каскадов УК₁-УК₆ равны Ш20, 30, 45, 45, 75 и 90 мм соответственно

На рисунке 3 приведены фотографии пучков в ближнем поле и дальней зоне на выходе лазера.

2 •10^-4рад

Рисунок 3. Ближнепольная фотография пучка Ш70 мм с энергией Е₀ = 80 Дж (мощностью 100 ГВт)

Его распределение и распределение пучка ЗГ в дальней зоне прошедшего через всю систему (около 70 оптических поверхностей) при ненакачанном усилителе. В ближнем поле пучка заметен нелинейный рост пространственных выбросов интенсивности.

Приводятся результаты исследования обнаруженной сильной деполяризации пучка при возникновении МС. На рисунке 4 показан рост деполяризации пучка (2) в пассивном активном элементе, который установлен за ВПФ. Предложено использовать увеличение степени деполяризации пучка в качестве метода контроля возникновения МС.

Рисунок 4. Зависимость степени деполяризации (отношения энергий деполяризованной компоненты к полной энергии пучка) на входе (1) и выходе (2) пассивного стержня из стекла ГЛС1, установленного за ВПФ и пропускание Т ВПФ (3) от плотности энергии е выходного пучка и интеграла распада пучка В

Далее в разделе 1 приведены экспериментальные результаты исследований характеристик и результаты численного моделирования разработанного ДУ 15 см [10]. ДУ 15 см при наличии поглощающего покрытия [11] на дисках из фосфатного неодимового стекла для предотвращения паразитной генерации обеспечивает экспериментально измеренный коэффициент усиления k = 0.05 см ^-1. Показано, что выбранная система поперечной накачки ДУ 15 см является наиболее эффективной. Рассматриваются результаты численного трехмерного моделирования энергетических характеристик ДУ с помощью программы расчета, основанной на методе Монте-Карло и детально описанной в [9]. Программа показала хорошее согласие расчетных и экспериментальных данных и позволила провести ряд численных экспериментов, прямое выполнение которых было бы дорогим и сложным. В частности, было учтено влияние полосы поглощения неодима 0,35 мкм в фосфатном стекле ГЛС21 на эффективность ДУ, обычно отсекаемой фильтром ультрафиолетовой составляющей спектра ламп или маскируемой церием, вводимым в стекло. Показано, что при номинальных плотностях накачки k может возрасти почти в 1.5 раза, а при малых накачках выигрыш не превышает 20%. Внутренняя полость ДУ должна быть заполнена сухим азотом, чтобы исключить искажения волнового фронта пучка в воздухе, вызванных поглощением в нем коротковолновой составляющей спектра излучения ламп накачки [12].

Экспериментально показано, что значительный резерв увеличения запасенной в ДУ энергии заключен в использовании для его накачки импульсов излучения с нарастающей во времени интенсивностью и крутым срезом [13]. В случае использования такого импульса можно либо увеличить абсолютную величину k на 15 % (стекло ГЛС21) или 25% (ГЛС1) [13] по сравнению с максимально достижимой при обычной колоколообразной форме импульса, либо при той же величине k на 30-40% снизить плотность энергии накачки.

Для определения эффективности съема энергии с ДУ Ш15 см при однопроходном усилении лазерного импульса проведены результаты расчетов, в которых определялись предельная выходная мощность и КПД ДУ при длительности лазерного импульса _и = 0,1 - 20 нс в условиях ограничения мощности эффектом МС и разрушением поверхностей оптических элементов на выходе ДУ. Расчет производился для двух вариантов. В первом определялись предельные характеристики изолированного ДУ Ш15 см, когда не конкретизировалось лазерное устройство, с помощью которого пучок подавался на вход ДУ. Во втором варианте рассчитывались характеристики четырехкаскадного усилителя, в котором ДУ использовался в качестве оконечного каскада. Насыщение усиления учитывалось с помощью уравнения Франца-Нодвика, причем плотность энергии насыщения 4,5 Дж/см² для стекла ГЛС21 во всем рассматриваемом диапазоне _и была взята из измерений, выполненных для импульсов длительностью 1 и 25 нс вплоть до плотности энергии 8 Дж/см² [14,15]. Ограничение съема энергии из-за МС пучка в стекле учитывалось с помощью интеграла распада В, который в расчетах не должен был превышать критического значения ~3 (В-ограничение) [4]. Ограничение, связанное с разрушением поверхностей элементов (Е-ограничение), учитывалось с помощью данных о порогах разрушения. Данные о порогах разрушения брались из работы [16]. При проведении расчетов использованы характеристики усилителей и данные по пропусканию ВПФ из работы [17].

Показано, что изолированный ДУ Ш15 см обеспечивает мощность выходного пучка в субнаносекундном импульсе 2,5 ТВт, которая ограничена величиной В-интеграла вплоть до _и = 0,5 нс. Ограничение энергии выходного пучка на уровне ~1,4 кДж при _и = 1 нс связано с разрушением поверхностей элементов на выходе усилителя при использовании предусилителя аналогичного использованному в работе [17]. При увеличении длительности импульса до 5…10 нс и соответствующей оптимизации схемы многокаскадный усилитель с оконечным ДУ Ш15 см может обеспечить КПД ~0,5% и энергию ~3 кДж.

В заключение раздела отмечается, что в настоящее время для увеличения энергии и КПД лазеров для ЛТС используются относительно небольшой предварительный усилитель и многопроходные схемы для выходных дисковых усилителей, выполненных в модульном исполнении.

В разделе 1.2 рассматриваются методы минимизации угловой расходимости лазерных систем. Излучение ЗГ может быть сформировано таким образом, что его расходимость будет практически ограничена дифракционным пределом. По мере распространения пучка в усилителе его расходимость ухудшается как вследствие неидеальной обработки оптических элементов, так и из-за термооптических искажений, вызванных накачкой усилительных каскадов. Радикальным способом повышения направленности лазерных пучков является метод ОВФ излучения в нелинейных средах.

Использование ОВФ и описанных выше методов формирования мощных пучков, а также применение в качестве ВРМБ-зеркала схемы “генератор-усилитель” [20], позволило получить на выходе лазера на неодимовом стекле с оконечными ДУ пучок с высокой мощностью и малой расходимостью излучения близкой к дифракционной (более половины энергии пучка из 450 Дж заключено в угловом растворе, равном диаметру центрального максимума Эйри-распределения для пучка 85 мм).

Важная роль зоны перед каустикой ВРМБ-зеркала показана в работе, посвященной исследованию ОВФ сканирующего (с помощью электрооптического дефлектора) в пространстве пучка [21]. Одной из целей работы было исследование возможности увеличения падающей на ВРМБ-зеркало энергии за счет снижения плотности энергии в каустике во избежание развития пробоя и других конкурирующих процессов на качество ОВФ. Исследовалось ОВФ сканирующего пучка при различных скоростях развертки в нескольких средах (CCl₄, SiCl₄, стекло ГЛС-6).

Линейно поляризованный пучок ЗГ на фосфатном неодимовом стекле проходил через усилитель и разворачивался с постоянной скоростью с помощью дефлектора на танталате лития с квадрупольными электродами примерно на 8 дифракционных углов (ц) с различными скоростями: 0,2 ц/ нс (быстрая развертка) и 0,07 ц/ нс (медленная развертка). Было обнаружено, что при быстрой развертке и использовании СС1₄ в качестве ВРМБ - активной среды, дальняя зона отраженного пучка разбивается на ряд фрагментов, т.е. на развертке есть области, где нарушается ОВФ. С ростом энергии падающего пучка от 50 до 200 мДж появляется сначала одно пятно, потом два и т.д. При медленном сканировании наблюдается гладкая непрерывная развертка во всем диапазоне энергий.

Так как для СС1₄ время затухания гиперзвука ф ? 1 нс, то ОВФ сканирующего пучка реализуется тогда, когда время t его поворота на дифракционный угол лежит в интервале от 5ф до 15ф, т. е. при выполнении условия стационарности. Для стекла ГЛС6 и на медленных развертках t ? 3 ф (ф ? 5 нс) это условие не выполняется. В дальней зоне отраженного пучка видны провалы, картина похожа на ту, которая наблюдалась на быстрых развертках для СС1₄.

С увеличением скорости сканирования качество ОВФ еще более ухудшается. В качестве активной среды на быстрой развертке SiCl₄ ведет себя существенно хуже, чем СС1₄. При медленном сканировании развертка отраженного пучка напоминает по характеру быструю развертку на СС1₄, только провалы интенсивности не такие глубокие. Картина медленной развертки для SiCl₄ выглядит существенно лучше, чем для стекла. Это позволяет сделать вывод о том, что для SiCl₄ время затухания гиперзвука лежит в диапазоне ф = 1… 5 нс.

Коэффициенты отражения ВРМБ - зеркал на основе используемых сред имеют меньшую величину, чем для пучков, имеющих стационарный волновой фронт. Сравнение временных форм падающего и отраженного импульсов показывает, что они достаточно хорошо повторяют друг друга за исключением мелких модуляций в отраженном импульсе. Характерных провалов, регистрируемых в дальней зоне отраженного пучка при быстрой развертке, на временной форме импульса нет.

Для детального выяснения такого необычного характера отражения сканирующего пучка была проведена регистрация дальней зоны отраженного пучка на скоростном фоторегистраторе “Агат”. На рисунке 5 представлена характерная фотография экрана фоторегистратора, когда развертка отраженного пучка разбивалась на ряд фрагментов. Сканирование осуществлялось в режиме быстрой развертки, в качестве среды использовался четыреххлористый кремний. Видно, что излучение как бы “перескакивает” с одного направления на другое без прерывания отражения во времени, причем существуют моменты времени, когда отражение идет сразу в двух направлениях. При этом эффективность отражения в предыдущем к этому моменту времени направлении уменьшается, а в последующем - увеличивается.

Непрерывность этого рассеяния во времени обусловлена тем, что падающий и отраженный пучки проходят практически по одному и тому же объему в предфокальной области во все время сканирования. Возникающая в предфокальной области гиперзвуковая голограмма (отражающая в определенном направлении в какой-то момент времени) из-за инерционности процесса сохраняется некоторое время после исчезновения затравочного для ее образования излучения из фокальной области. До образования новой голограммы, соответствующей новому ОВФ - направлению, она может поддерживать рассеяние в направлениях, не соответствующих обратному для данного момента времени направлению падающей волны, но лежащих в плоскости развертки. Такой характер отражения и был зарегистрирован с помощью фоторегистратора. Используя это явление можно оперативно оценивать время затухания гиперзвука ф для ВРМБ активных сред.

Рисунок 5. Временная развертка дальней зоны сканирующего пучка, отраженного от ВРМБ-зеркала на экране электронно-оптической камеры “Агат”. Сканирование пучка идет по вертикали (ось х), временная развертка камеры идет по горизонтали (ось t)

В разделе 1.3 рассматриваются особенности лазерных систем с внутрирезонаторными пространственными модуляторами света.

Отмечается, что для увеличения поля зрения системы требуется установка усилительных каскадов и элементов развязки в плоскости выходного зрачка ЗГ. Для этого требуется установка ретрансляторов между всеми каскадами усиления, по крайней мере, между каскадами, имеющими небольшой световой диаметр. Направление излучения в ЗГ и усилителях зависит от включенного пикселя ПВМС. Запасенная в активном элементе ЗГ энергия используется только частично, и ее доля зависит от угла поля зрения системы, размера пикселя ПВМС, длины и диаметра активного элемента. С точки зрения КПД лазеров, целесообразно использование лазерных систем с полем зрения ЗГ, не превышающим нескольких угловых градусов.

Изменение направления излучения ЗГ в пространстве осуществляется с помощью выходного внерезонаторного объектива 8 (рисунок 6). Угловое поле сканирования ц равно (для углов несколько градусов) ц = T / F, где T - размер активной зоны ПВМС, F - фокусное расстояние внерезонаторного объектива. Оси всех пучков пересекаются в переднем фокусе внерезонаторного объектива, где расположено действительное изображение внутрирезонаторной диафрагмы.

Пиксель ПВМС установленный в фокусе линзы 3 является угловым селектором излучения. Правильный выбор размера диафрагмы 4 в центре резонатора и фокуса линзы 3 позволяет получить расходимость излучения ЗГ близкую к дифракционной. Определяющим в выборе f линзы и размера диафрагмы 4 является размер пикселя ПВМС.

Угловая расходимость выходного пучка ЗГ зависит от его диаметра D_F на выходном объективе. В свою очередь D_F зависит от размера пикселя модулятора d и фокуса объектива F.

Отмечается, что лазерные системы с внутрирезонаторным сканированием можно строить как системы с прямым усилением, когда излучение ЗГ усиливается в усилителе с последовательно возрастающими апертурами, так и с ОВФ излучения, когда излучение ЗГ вводится через выходные каскады.

Рисунок 6. Схема сопряженного резонатора и преобразование положения включенного пикселя ПВМС в угловое отклонение выходного пучка внерезонаторным объективом

Здесь 1, 7 - плоские зеркала резонатора; 2 - ПВМС; 3, 6 - софокусно установленные линзы резонатора; 4 - внутрирезонаторная диафрагма в центре резонатора; 5 - активный элемент; 8 - внерезонаторный объектив. Зеркала резонатора располагаются в сопряженных оптических плоскостях.

Выбор D_F и F определяется поставленной задачей, например, согласованием апертуры пучка с предварительным усилителем (ПУ) линейного усилителя или с выходным усилителем мощной системы с ОВФ излучения. Мощные широкоапертурные лазерные системы, предназначенные для наведения лазерного излучения на удаленные объекты обычно имеют небольшое поле обзора (несколько десятков пикселей) и расходимость пучка близкую к дифракционной. В этих системах вследствие редуцирования диаметра пучка в выходных каскадах при сканировании пучка используется почти весь объем активной среды, а углы “качания” пучка составляют величину несколько угловых минут. Необходимы увеличенные световые апертуры промежуточных линзовых элементов. Все рассмотренные выше методы формирования лазерного пучка можно использовать и в лазерных системах с внутрирезонаторным сканированием.

Глава 2 посвящена исследованию точности управления излучением мощной лазерной системы с ОВФ с помощью внутриререзонаторного ПВМС [22].

В разделе 2.1 рассмотрены факторы, которые могут влиять на точность управления. При проведении экспериментов в лабораторных условиях существует только угловая ошибка, связанная с неточным обращением волнового фронта пучка и угловая ошибка, вызванная задержкой срабатывания ПВМС. Последняя ошибка может привести к уменьшению точности из-за механических колебаний элементов лазерной системы (в основном поворотных зеркал), вызванных воздействием сильноточного импульса накачки лазерных каскадов на несущую конструкцию.

В разделе 2.2 рассмотрена лазерная система с ОВФ излучения. Светоуправляемый ПВМС типа PROM (английская абревиатура “Pockels readout optical modulator”) на основе фоторефрактивного кристалла силиката висмута с устройством электронного управления был впервые использован в качестве внутрирезонаторного элемента для управления диаграммой направленности лазера. В ЗГ использовался активный элемент из АИГ:Nd³⁺. Для лучшего согласования с максимумом длины волны усилителя в части экспериментов использовался активный элемент из ИЛФ:Nd³⁺ (л = 1.053 мкм). Для управления работой ПВМС использовалось моноимпульсное излучение второй гармоники неодимового лазера. Задержка появления моноимпульсной генерации ЗГ относительно момента прихода управляющего светового импульса составляла 600 мкс. Длительность импульса генерации лазера равнялась 50 нс. Выходная энергия ЗГ с активным элементом из АИГ:Nd³⁺ не превышала 10…30 мкДж, а с активным элементом из ИЛФ:Nd³⁺ - 150…300 мкДж, причем в последнем случае часто наблюдались повреждения модулятора излучением.

Представлены результаты исследования модуляционной характеристики PROM при управлении излучением второй гармоники и цикл его работы. Показано, что полная модуляция достигается для длины волны 0.53 мкм при плотности сигнала ~1.3 мДж/см².

На рисунке 7 приведена упрощенная схема экспериментальной установки для исследования точности управления пучком лазера. Излучение второй гармоники (2) неодимового лазера проходило через диафрагму Д1, установленную в фокусе длиннофокусной линзы Л1 (f = 32.8 м).

Отразившись от клина, пройдя поляризатор П и отразившись от зеркала З1, излучение фокусировалось сферическим зеркалом на ПВМС ЗГ. Возникающий импульс генерации ЗГ распространялся в обратном направлении: отразившись от поляризатора П и пройдя схему изоляции, он попадал в предусилитель (ПУ) с ВРМБ - зеркалом.

Обращенное излучение, прошедшее через поляризатор П, поступало на вход двухпроходного усилителя с ОВФ, перед которым был установлен вентиль Фарадея и кварцевая 45⁰ пластинка для поворота на 90° азимута поляризации выходного излучения и вывода его путем отражения от поляризатора П в направлении источника реперного излучения и схемы регистрации.

Малая часть энергии пучка с выхода усилителя, отраженная от клина К1 и ослабленная зеркалом З2, поступала в схему регистрации, где направление пучка сравнивалось с направлением реперного излучения, которое попадало сюда, отразившись от ВРМБ-зеркала 1 реперного излучения (в части экспериментов использовалось излучение пучка 2, отраженное от зеркально-линзового объектива типа “кошачий глаз”). Оба пучка подсвечивали реперную сетку, расположенную в фокусе линзы Л1 на фотокатоде электронно-оптического преобразователя (ЭОП).

Рисунок 7. Схема экспериментальной установки

По отклонению максимумов дальнопольного распределения пучков относительно сетки можно оценить точность управления излучением усилителя. В качестве мощного усилителя использовался многокаскадный усилитель с ОВФ [20]. В состав усилителя входило шесть каскадов с последовательно возрастающими апертурами (2 каскада Ш45х630 мм, Ш60х630 мм, Ш75х240 мм, Ш85х300 мм и ДУ с апертурой 120 мм).

Геометрическое увеличение ВПФ и их расположение были выбраны так, чтобы обеспечить в усилительных каскадах максимальные числа Френеля. Диаметр выходного пучка был доведен до 100 мм.

Усилитель обеспечивал стабильную от вспышки к вспышке расходимость излучения близкую к дифракционной. Энергия составляла величину 410 Дж при работе от реперного источника на основной гармонике излучения. Более 72% энергии пучка сосредоточено в угловом растворе 4.6•10^-5 рад, при ц_д = 2.6 •10^-5 рад. Для проведения описываемых экспериментов на выходе усилителя устанавливался телескоп Галилея, уменьшающий диаметр пучка до 50 мм для согласования с ПУ.

Невысокая лучевая прочность PROM ограничивает выходную энергию ЗГ на уровне нескольких десятков микроджоулей. Для эффективного же съема запасенной в двухпроходном усилителе энергии и обеспечения высокого качества ОВФ на его вход необходимо подавать энергию несколько сотен микроджоулей [20]. Разработанные схемы ЗГ с лучевой разгрузкой ПВМС для увеличения выходной энергии [24,25] оказались неудобными для стыковки с усилителем. Вследствие этого потребовался ПУ слабого сигнала ЗГ с дополнительным ВРМБ - зеркалом для сохранения высокого качества волнового фронта усиливаемого пучка.

Схема ПУ была разработана вместе со схемой изоляции ПУ от излучения мощного усилителя. В его состав входил усилитель 10 х 300 мм, ячейка Фарадея, электрооптический дефлектор, 45⁰ - пластинка, ретрансляторы для передачи плоскости входного зрачка. Ослабление излучения на последних проходах достигалось за счет малой (4.5%) величины отражения пучка от поляризатора как R_p - компоненты. В связи с тем, что в схеме (рисунок 7) используется двукратное ОВФ излучения, перед проведением экспериментов по исследованию точности управления пучком следовало убедиться, что оно не внесет дополнительных ошибок.

В разделе 2.3 приведены результаты исследований точности воспроизведения направления пучка при двукратном ОВФ. Практически во всех экспериментах с ОВФ его качество определяется по доле энергии обращенной волны, идущей в угловой раствор исходной волны, или по распределению интенсивности излучения в дальнем поле. Данные методы не дают информации о том, насколько точно совпадают максимумы дальнопольных распределений реперного и обращенного пучка. При проведении экспериментов использовалась методика регистрации пучков описанная выше. Диаметр пучка равнялся 100 мм. Двухкадровый режим работы ЭОП обеспечивался подачей через разрядник с лазерным поджигом на разворачивающие пластины прямоугольного электрического импульса с длительностью 400 нс, так, чтобы его передний фронт поступал на пластины после прохождения реперного светового импульса. Таким образом, на экране ЭОП в одной вспышке наблюдалось два изображения сетки, подсвеченной реперным и обращенным пучками. По смещению пучков относительно сетки можно судить о точности воспроизведения направления реперного пучка ОВФ - волной. Результаты денситометрической обработки фотопленок с изображениями дальнопольных распределений пучков, полученных в серии экспериментов, показали, что с погрешностью до 3•10^-6 рад направление ОВФ - пучка совпадает с направлением реперного пучка при расходимости пучков 2.610^-5 рад. Предложенная методика позволяет регистрировать неполную компенсацию искажений в системах с ОВФ, в том числе уход направления пучка при наличии самовоздействия излучения, распространяющегося в нелинейной среде.