Способ измерения радиуса кривизны сферического волнового фронта гауссовых пучков импульсных лазеров

 

СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ РАДИУСА .КРИВИЗНЫ СФЕРИЧЕСКОГО ВОЛНОВОГО ФРОНТА ГАУССОВЫХ ПУЧКОВ ИМПУЛЬСНЫХ ЛАЗЕРОВ , включающий формирование с помощью линзовой системы из исследуемого пучка сходящегося пучка, воздействие сходящимся пучком на нелинейную среду , о тлич ающийся тем, что, с целью повмпения точности измерений , воздействие на нелинейную среду осуществляют при помощи импульса лазера в диапазоне от критической до двух критических мощностей самофоку . сировки в нелинейной среде, после чего увеличивают длину нелинейной среды до исчезновения области самофокусировки и по полученной дпине нелинейной среды и фокусному расстоянию линзовой (Л системы определяют радиус кривизны волнового фронта исходного пучка.

СООЭ СОВЕТСХИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН

4 1 А (19) (И) цц4 С02 F 1/37

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

fIO ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЦТИЙ

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н АВТОРСКОМЪГ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 3592063/24-25 (22) 18.05.83 (46) 07.09.88. Бюл. Р 33 (71) Институт прикладной физики

АН СССР (72) Н.Г.Бондаренко, И.В.Еремина и А.И.Макаров (53) 535.8(088.8) (56) Бондаренко Н.Г. и др. Усилители для неодимовых лазерных систем с однородным распределением коэффициента усиления, - "Квантовая электрони. ка:, 1981, т. 8, В 9, с. 2054.

Дышко А.Л. и др. О самофокусировке интенсивных световых пучков.

ДАН СССР, 1969, т.188, У 4, с. 792. (54)(») СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ РАДИУСА .КРИВИЗНЫ СФЕРИЧЕСКОГО ВОЛНОВОГО ФРОНТА ГАУССОВЫХ ПУЧКОВ ИМПУЛЬСНЫХ ЛАЗЕРОВ, включающий формирование с помощью линзовой системы иэ исследуемого пучка сходящегося пучка, воздействие сходящимся пучком на нелинейную среду, отличающийся тем, что, с целью повьипения точности измерений, воздействие на.нелинейную среду осуществляют при помощи импульса . лазера в диапазоне от критической до двух критических мощностей самофокусировки в нелинейной среде, после че« го увеличивают длину нелинейной среды до исчезновения области самофокусировки и по полученной длине нелинейной среды и фокусному расстоянию линзовой Е системы определяют радиус кривизны волнового фронта исходного пучка.

1 59431

Изобретение относится к области квантовой электроники и может быть использовано для создания контролируемых пространственных конфигураций лазерных пучков, необходимых, например, при измерении нелинейных параметров оптических сред.

Известен способ измерения радиуса кривизны сферического волнового фрон- 10 та лазерных пучков ло минимизации в некоторой фиксированной плоскости поперечного размера пучка, прошедшего через фокусирующую линзу, посредством плавной перестройки фокуса этой 15 линзы. Икнимальное пятно соответствует такой величине фокусного расстояния F, при которой центр волнового фронта сфокусированного пучка находится в фиксированной плоскости. По 20 расстоянию от линзы до плоскости и величине F вычисляют радиус R.êðèвизны исходного пучка. Точность измерения R данным способом определяется относительной точностью aL измерения 25 поперечного размера пучка, которая обычно составляет 10Х.

Недостатком способа является низкая точность измерения радиуса К, gR характеризуемая параметром о и равная о 4Z< = 0,45, что соответствует минимально обнаруженному отклонению 61 волнового фронта от 35 плоского на радиусе, измеренному в длинах волн 61 = ф/30.

Недостаточная точность обусловлена принципиальными трудностями определения размеров пятна, связанными 40 с необходимостью фотометрирования интенсивности на фотопленке.

Наиболее близким к предложенному является способ измерения радиуса ;45 кривизны сферического волнового фронта гауссовых пучков импульсных лазеров, включающий формирование с помощью линзовой системы из исходного пучка сходящегося пучка, воздействие 50 сходящимся лучком на нелинейную среду. В результате образуется область самофокусировки излучения в среде, причем по расстоянию от области самофокусировки до линзовой системы судят о кривизне волнового фронта, Недостатком способа также является низкая точность определения кривичны волнового фронта, обусловленная значительными размерами области самофокусировки для импульсных лазеров по сравнению с расстоянием этой области до линзовой системы.

Целью изобретения является повышение точности измерений.

Поставленная цель достигается тем, что воздействие на нелинейную среду осуществляют лри помощи импульса лазера в диапазоне от критической до двух критических мощностей самофокусировки в нелинейной среде, получают в выходной плоскости среды на гладком фоне светового пятна область самофокусировки пучка, после чего увеличивают длину нелинейной среды до исчезновения области самофокусировки и по полученной длине нелинейной среды и фокусному расстоянию линзовой системы определяют радиус кривизны волнового фронта исходного пучка.

Сущность способа заключается в следующем.

Для любого значения мощности пучка, лежащего в пределах Р„ < Р и 2Р„, где Р— минимальная величина мощкр ности, при которой наблюдается самофокусировка пучка, координаты точек еамофокусировки вдоль направления распространения пучка составляют некоторую область. При этом дальняя граница области совпадает с центром кривизны -входного лучка. Таким образом, расстояние L от входной плоскости среды до дальней границы области равно радиусу Кв„кривизны волнового фронта пучка на входной плоскосреды (® вх Ь/n ).

Точность предлагаемого способа измерения радиуса R кривизны волнового фронта зависит от точности aL определения дальней границы области, связанной с конечным продольным раз" мером нелинейного фокуса.

Эксперименты по изучению продольной структуры поля в точке самофокусировки в реальной среде (стекле) показали, что продольный размер нелинейного фокуса оказался достаточно узким ((6 мм). Оказалось возможным в конкретных условиях эксперимента обеспечить точность измерения L не д?. хуже — 0,07, что соответствует значению параметра 8; S 0,01, при этом параметр 61 равен Ь1 h/1200.

Таким образом, экспериментально най1159431 ровки совмещена с выходной плоскостью среды, а величина F равна фокусному расстоянию линзовой системы.

Прн этом радиус кривизны R вычисляется по формуле R =(К (n/L — 1/F )1 > где и-показатель преломления нелинейной среды, К вЂ” коэффициент увеличе2 ния диаметра пучка линзовой системой.

На чертеже приведена схема устрой" ства, реализующего данный способ.

Устройство содержит установленные последовательно фокусирующую линзовую систему 1, например телеобъектив из двух линз, нелинейнув среду 2, наприс мер стержень из лазерного стекла

ГЛС-1, линзу 3 и фотопленку 4. При этом линзовая система Т расположена непосредственно перед входной плоскостьв среды 2, а линза 3 расположена между средой 2 и фотопленкой, так что выходной торец 5 среды 2 проецируется на фотопленку 4. В качестве источника излучения (не чертеже не показан) служит неодимовый лазер с длиной волны h =- 1,06 мкм.Сплошными линиями показан ход лучей в устройстве, пунктирными линиями— волновой фронт пучка. При использовании исследуемого пучка радиусом а =

1,84 мм и мощностью в импульсе (3,3-6,6) МВт при Р„ = 3,3 МВт были получены следующие результаты. Минимально допустимый размер пучка при

P Р,, ограничиваемый пробоем, составляет а „„ 20 мкм, что соответствуе г отличив длины 4а от R „ менее, чем на 0,01, Ь = 630 мм, hL

= 6 мм, о = 0 01. Такая величина о позволяет у пучка с радиусом поперечного размера а = 1,84 мм обнаружить радиус кривизны волнового фронта

К„„„; — 2000 м. В данном конкретном случае получены величина R = -183+17 и.

В то же время при измерении этого же пучка способом-прототипом его ра" днус кривизны невозможно отличить от радиуса кривизны пучка с плоским . фронтом, поскольку максимальный радиус, измеряемый способом-прототипом, ограничен величиной 45 м при том же а = 1,84 мм.

ВНИИПИ Заказ 5158

Тираж 533

Подписное

Произв-полигр. пр-тие, г. дено, что точность измерения радиуса кривизны данным способом повышается.

Существование самофокусировки в некотором сечении среды может быть

5 установлено по характерному распределению поперечного профиля интенсивности пучка. При исследовании поперечного профиля пучка нет необходи- 10 мости в определении его размера путем фотометрирования распределения интенсивности: достаточно установить наличие характерной более узкой интенсивной области самофокуси15 ровки на гладком фоне пятна. В качестве нелинейной среды могут быть использованы вещества, в которых эффект самофокусировки достигается за время импульса при характерной для исследуемого излучения мощности, например керровские жидкости, прозрачные диэлектрики с электронной иелинейностью.

Так как в .действительности само- 25 фокусировка пучка ограничивается не« которым минимальным поперечным размером, .зависящим от конкретного механизма ограничения поля в среде, то дальняя граница области самофокусировки находится несколько ближе к входу в нелинейную среду, чем центр кривизны волнового фронта пучка.Это систематическая ошибка и она может быть для известной конфигурации пучка в среде учтена при определении 5 радиуса кривизны, что позволяет повысить точность измерений.

Поскольку на практике всегда используется нелинейная среда конечной 40 длины, то целесообразно расстояние L от входной плоскости среды до даль« ней границы области самофокусировки выбрать равным длине среды. При этом совмещение дальней границы области самофокусировки с выходной плоскостью среды осуществлять путем подбора длины образцов. В этом случае для вычисдения радиуса кривизны исходного пучка расстояние L берется равным длине нелинейной среды, при которой дальняя граница области самофокусиУжгород, ул. Проектная, 4