Устройство для получения лазерной искры

 

УСТРОЙСТВО/ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ЛАЗЕРНОЙ ИСКРЫ, содержащее импульсный лазер и фокусирующую систему, выполненную в виде аксикона, отличающееся тем, что, с целью регулирования пространственновременных характеристик искры, на выходе лазера дополнительно установлен корректор временного распределения лазерного излучения вдоль оси искры, вьтолненный в виде двух пар сплошных и расположенного меж .ду ними, по крайней мере одного кольцевого отражающего элемента, расположенного под углом 45 к оси устройства и зеркально симметрично друг другу относительно плоскости, перпендикулярной оси устройства, при этом два сплошных элемента пересекают ось устройства, а фокусирующая система вьтолнена с коррекцией пространственного распределения излучения на оси искры в виде собирающего аксикона с криволинейной образующей преломляющей поверхности, при этом форма образующей связана с г распределением плотности энергии лазерного излучения, на выходе из лазера в поперечном сечении пучка следующим соотношением 3(еп1ьл Г Р l(.f 3i где |3 угол между касательной к образующей и плоской поверхностью аксикона; Х5 Т 1(г)расстояние от точки касаьо tc ния до оси аксикона; распределение плотности ;о ю энергии лазерного излучения в поперечном сечекйи пучка.

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИН

09) (И) ЗО1) Н 05 Н 1/46

Я pó () у р р, ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ЯЩЛИО=РУ (Ь )г

Р" где

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБР1=ТЕНИЙ И OTHPblTMA (21) 3481326/18-25 (22) 10.g8. 82 (46) 23. 10. 84. Бюл. Р 39 (72) В.В. Коробкин, Л.Я. Полонский и Л.Н. Пятницкий (71) Институт высоких температур

АН СССР (53) 559.9(088.8) (56) 1. Парфенов В.Н. и др. Исследование возможности получения весьма протяженного оптического пробоя атмосферного воздуха", Письма в ЖТФ, т. 1, с. 731, 1976.

2. Tremblay R. et all "I.aser

plasmas optically pumped by focusinp

with oxicon а СО -ТЕА laser, beam >»

highpressure pas" 0plics Communica., tions 28, )) 2, р. 195, 1979 (прототип). (54)(57) УСТРОЙСТВО:ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ

ЛАЗЕРНОЙ ИСКРЫ, содержащее импульсный лазер и фокусирующую систему, выполненную в виде аксикона, о тл и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью регулирования пространственновременных характеристик искры, на выходе лазера дополнительно установлен корректор временного распределения лазерного излучения вдоль оси искры, выполненный в виде двух пар сплошных и расположенного меж.ду ними, по крайней мере одного кольцевого отражающего элемента, расположенного под углом 45 к оси о . устройства и зеркально симметрично друг другу относительно плоскости, перпендикулярной оси устройства, при этом два сплошных элемента пересе" кают ось устройства, а фокусирующая система выполнена с коррекцией пространственного распределения излучения на оси искры в виде собирающего аксикона с криволинейной образующей преломляющей поверхности, при этом форма образующей связана с распределением плотности энергии лазерного излучения, на выходе из лазера в поперечном сечении пучка следующим соотношением — угол между касательной к образующей и плоской поверхностью аксикона; — расстояние от точки каса. ния до оси аксикона;

1(г) — распределение плотности энергии лазерного излучения в поперечном сеченйй пучка.

1082292

Изобретение относится к плазменной технике, а именно к устройству для получения протяженной лазерной искры со сплошным каналом, и может быть использовано для создания мощных линейных источников света и цилиндрических ударных волн, коммутации высоковольтных разрядных промежутков и др.

Известно устройство для получения 10 лазерной искры, содержащее импульсный лазер и фокусирующую линзу (1J .

Оно позволяет получать лазерные искры длиной до 60 м в атмосфере.

Недостатком укаэанного устройства является дискретная пространственная структура получаемых искр.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является устройство для получения лазерной 20 искры, содержащее импульсный лазер и фокусирующую систему (2J.

В известном устройстве фокусирующая система выполнена в виде аксикона. 25

Известное устройство позволяет получать лазерную искру со сплошным каналом в плотных газах вследствие подвода излучения к области оптического пробоя сбоку. 30

Недостатком указанного устройства является неоднородность пространственно-временных характеристик лазерного излучения вдоль оси искры, и, как следствие, неоднородность самой искры. При фокусировке излучения в известном устройстве аксиконом с прямолинейной образующей, преломляющей поверхности излучение лазера, распределяется вдоль оси искры неравномерно, поскольку интенсивность освещения пропорциональна произведению падающей на кольцо соответствующего радиуса лазерной энергии на площадь этого кольца. Вследствие этого дальний от аксикона конец искры слабо освещен из-за-"спадания плотности, падающей на периферийные области аксикона лазерной энергии (распределение энергии в поперечном сечении пучка гауссовское), а ближний к аксикону участок искры сла бо освещен из-за малости площади соответствующих центральных колец. .В центральной части имеется макси- 5 мум освещенности, ему соответствуют более высокие параметры плазмы искры.

Кроме того, центральные лучи попадают в область пробоя раньше, чем периферийные, поэтому пробой происходит не одновременно. Этот недосI таток особенно ощутим при получении искр значительных размеров (десятки и сотни метров), когда дальние от фокусирующего аксикона участки пробиваются уже после расплывания ближних областей, и поэтому, например, цилиндрическую ударную волну и коммутацию с крутым фронтом получить невозможно.

Целью изобретения является увеличение однородности и регулирование пространственно-временных характеристик искры.

Поставленная цель достигается эа счет того, что в известном устройстве для получения лазерной искры, содержащем импульсный лазер и фокусирующую систему, на выходе лазера дополнительно установлен корректор временного распределения лазерного излучения по оси фокусировки, выполненный в виде двух пар сплошных и расположенных между ними, по край ней мере одного кольцевого отражающего элемента, расположенного под углом 45 к оси устройства и зеркально симметричного относительно плоскости, перпендикулярной к оси устройства, при этом два сплошных элемента пересекают ось устройства, а фокусирующая система выполнена с коррекцией пространственного распределения излучения на оси фокусировки в виде собирающего аксикона с криволинейной образующей преломляющей поверхности, причем форма образующей связана с распределением плотности энергии лазерного излучения на выходе из лазера в поперечном сечении пучка-следующим соотношением: а<Е. Ргi р ь

de I(l где P — угол между касательной к образующей и плоской поверхностью аксикона; — расстояние от точки касания до оси аксикона; () — распределение плотности энергии лазерного излучения в поперечном сечении пучка.

1082292

Такое выполнение устройства позволяет осуществить однородное пространственное распределение энергии лазерного излучения по оси фокусировки вследствие того, что форма аксикона выбирается из указанного условия равномерного освещения вдоль оси при данном поперечном профиле лазерного пучка. Одновременность облучения по всей длине искры обеспечи- l0 вается дифференцированной по поперечному сечению пучка задержкой лучей с помощью корректора временного распределения излучения. Изменение взаимного расположения отража- !S ющих поверхностей в корректоре временного распределения излучения позволяет осуществить регулирование моментов пробоя на различных участ-. ках искрбвого канала. 20

На фиг. I дана оптическая схема предложенного устройства; на фиг.2— показан ход лучей через аксикон с криволинейной образующей.

Устройство содержит (фиг. 1) им25 пульсный лазер 1, фокусирующую систему 2, корректор 3 временного распределения лазерного излучения вдоль оси фокусировки, включающий два сплошных 4, и ряд кольцевых отражающих элементов 5,6 и пару сплошных элементов 7, последовательно расположено ные под углом 45 к оси устройства и зеркально симметрично друг другу относительно плоскости, перпендику- 35 лярной к оси устройства. Отражающие элементы 4 расположены на оси устройства. Они выполнены в виде эллипсов, с оотношением осей 1: !2,, причем малая ось несколько меньше выходной апертуры импульсного лазера 1. Отражающие пары элементов

5 и 6 выполнены в виде колец эллиптической формы с соотношением осей 1:Q причем большие оси внешнего и внутреннего эллипсов элемента 5 равны соответственно большой оси элемента 4 и большой оси внешнего эллипса элемента 6. Отражающий элемент 7 и зеркально симметричный ему выполнены в 50 виде эллипсов с таким же соотноше. нием осей, как у элементов 4,5,6, их. большая ось равна большой оси внутреннего эллипса кольцевого отражаю щего элемента 6. Фокусирующая сис- 55 тема 2 выполнена с коррекцией пространственного распределения излучения вдоль оси фокусировки в виде собирающего аксикона с криволинейной образующей преломляющей поверхности, форма образующей связана с распределением плотности энергии лазерного излучения в поперечном сечении пучка I (г) следующим соотношением:

d(BnPr) где — угол между касательной к образующей преломляющей поверхности и плоской поверхно. стью аксикона,, — расстояние от оси аксикона.

Лазерная искра, получаемая в результате работы устройства, условно обозначена на фиг. 1 позицией 8.

Устройство работает следующим образом.

Лазерный пучок из лазера 1 поступает через корректор 3 временного распределения на фокусирующую систему 2 с корреляцией пространственного распределения, причем централь- ная область пучка задерживается наиболее сильно, а периферийная кольцевая зона проходит прямо на фокусирующий аксикон. Временное распределение лазерного излучения по оси фокусировки устанавливается расположением отражающих элементов 5-7 s корректоре временного распределения.

Можно осуществить как одновременный пробой на всей длине фокального отрезка, так и волны пробоя,распрост раняющиеся от аксикона и к аксикону, а также другие последовательности пробоя различных участков искры.

Однородность освещения фокального отрезка обеспечивается аксиконом с криволинейной образующей.

Принцип выбора формы образующей поясняется фиг. 2. Рассмотрим два близких световых луча, попадающие в аксикон на расстоянии е и г — ог от оси; они пересекают ось фокусировки под углами с и î + dg, соответственно. На участок 4 фокального отрезка приходится световая энергия, собираемая с кольца радиуса е и толщиной е на плоской поверхности аксикона, Если плотность энергии в лазерном луче обозначить через 3 (Г), то плотность световой энергии Я на участке Ь 2» Е Хьеде, 1(г) (2)

42. Д

1082292

Из геометрических соображений (в силу малости углов их синусы и тангенсы заменены- на сами углы). (3)

3 (ге )

67,*

МЕ ф » P (n-1) где П вЂ” коэффициент преломления материала аксикона, а

P — - угол между касательной к образующей преломляющей поверхности аксикона и его плоской поверхностью, Из (1)-(3) получаем

Яе Цг) P (n- }Д (5)

d (Pг)

Требование равномерной освещенности f» сощур,приводит к условию(1): . а(Евр.} (у 1(г}

Последнее соотношение справедливо, если коэффициент преломления материала аксикона не зависит от расстояния от оси. С помощью материала с переменным коэффициентом преломления можно создать равномерную освещенность вдоль оси искры аксиконом с прямолинейной образующей преломляющей поверхности, при этом

I вместо услови (1) должно выполняться условие (6) (е ((.-).}

A-1 (6)

31 (г)

Для получения решения (1) и (6) в явном виде необходимо подставить

15 конкретный вид I (Г) .

Техническая эффективность устройства заключается в том, что оно позволяет получить протяженную ла20 зерную искру со сплошной структурой однородными пространственно-временными характеристиками и возможностью регулирования последовательности пробоя различных участков искры, .

25 что недостаточно при использовании известных устройств.

IIIII

1М 1!

1082292

Закаэ 7072/4

82 Подписиое

ППП."Патеит", г. Укгород, ул. ПРюектиаа, 4