Мягкая диафрагма для лазеров

 

Изобретение относится к лазерной оптике и может быть использовано при работе с твердотельными и газовыми лазерами, применяемыми в лазерной технологии, научных исследованиях, лазерных установках, разрабатываемых по программе лазерного термоядерного синтеза. Сущность изобретения: мягкая диафрагма для лазеров на основе кюветы с двумя окнами, герметично соединенными между собой проставочным кольцом с отверстиями и образующими корпус, содержит вкладыш из оптически прозрачного материала (с показателем преломления n_в) в виде выпукло-вогнутого мениска со сферическими или асферическими поверхностями, размещенного между окнами с двумя зазорами, заполненными через отверстия жидкостью. При этом жидкостью (с показателем преломления n_ж1), поглощающей излучение из лазерного пучка с длиной волны λ, падающего на кювету, заполняется только один зазор - между окном и выпуклой поверхностью мениска, а второй зазор заполняется жидкостью с показателем преломления n_ж2, не поглощающей лазерное излучение. Нарастающий по толщине как функция радиуса кюветы r от оси к ее периферии слой поглощающей жидкости сглаживает (аподизирует) профиль пропускания кюветы по заданному закону с контрастом К в диапазоне 10²-10⁶. При этом рассогласования Δn₁ и Δn₂ показателей преломления вкладыша и жидкостей Δn₁=n_в-n_ж1 и Δn₂=n_в-n_ж2 выбираются такими, чтобы максимальный угол отклонения пучка излучения, выходящего на периферии кюветы при r=а, ϕ(а) находился в пределах дифракционного угла для апертуры кюветы с диаметром 2а, ϕ(а)<1,22 λ/2а. Конструкция кюветы допускает для изготовления ее компонентов применение различных оптических материалов, а также рабочих жидкостей с допустимыми рассогласованиями показателей преломления Δ_n<0,1, что означает практически нечувствительность предлагаемого устройства к колебаниям температуры в пределах нескольких градусов. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к лазерной оптике и может быть использовано при работе с твердотельными и газовыми лазерами, применяемыми в лазерной технологии, лазерной медицине, в научных исследованиях, в лазерных установках, разрабатываемых по программе лазерного термоядерного синтеза.

Мягкие диафрагмы-аподизаторы световых пучков являются достаточно широко используемыми в настоящее время устройствами в оптическом тракте современных мощных лазерных установок. Они применяются для сглаживания пространственного распределения интенсивности в лазерных пучках, их применение позволяет подавить резкие всплески интенсивности, возникающие в апертуре пучков при их дифракции на обычных ("жестких") диафрагмах. Тем самым, применение мягких диафрагм повышает устойчивость мощных лазерных пучков по отношению к самофокусировке. Оно также позволяет оптимизировать энергосъем в активной среде за счет повышения фактора заполнения излучением рабочей апертуры усилителя, повысить эффективность преобразования лазерного излучения в высшие гармоники [1-8].

Несмотря на большое число предлагавшихся методов и технологий формирования мягких диафрагм, реальное использование в оптическом тракте мощных лазеров нашли лишь несколько типов аподизаторов, отличающихся достаточно высокой стойкостью к лазерному излучению (1-5 Дж/см²) и высоким контрастом - отношением коэффициентов пропускания излучения на оси и на периферии пучка, К = 10²-10³. Среди них - так называемые зубчатые диафрагмы из металла [8], диафрагмы на основе частично матированных стеклянных пластинок [5] диафрагмы на основе многослойных диэлектрических покрытий и некоторые другие [6, 7].

Наиболее высокие значения контраста до K ≥ 10⁶ оказывается возможным получить в мягких диафрагмах на основе слоев переменной толщины из веществ, поглощающих лазерное излучение [2-6]. Лучевая прочность таких диафрагм может превышать 1 Дж/cм² [2-6] . Известным устройством, реализующим эту возможность, является кювета с внутренней полостью переменной толщины, заполненной жидкостью с коэффициентом поглощения k [2, 3, 5, 6]. Для того, чтобы лазерный пучок с равномерным распределением интенсивности, падающий на такую кювету, на выходе из нее приобрел мягкое распределение интенсивности, описываемое супергауссовой функцией с контрастом К, зависимость коэффициента пропускания диафрагмы от радиуса r Tr должна описываться функцией вида а профиль оптических элементов, ограничивающих слой поглощающей жидкости, должен быть, вообще говоря, асферическим. При этом зависимость толщины слоя поглотителя от радиуса r описывается функцией вида Здесь: Т(о) - пропускание на оси диафрагмы, а - радиус диафрагмы, при котором Т(r) уменьшается в К раз, h₀ ≥ 0 - толщина слоя поглогителя на оси диафрагмы.

Известна мягкая диафрагма на основе кюветы из стекла, одно из окон которой представляет плоскопараллельную пластину, а другое - плосковыпуклую сферическую линзу [3, 5, 6]. В качестве поглощающей жидкости на длине волны неодимового лазера λ = 1,06 мкм в кювете использован раствор медного купороса [3, 5, 6]. Функция пропускания такой диафрагмы близка к гауссовой, а контраст невысок K≅10² [3, 5, 6].

Известна также мягкая диафрагма-кювета на основе раствора красителя, в которой одно из окон плоскопараллельное, а другое представляет собой плосковыпуклую асферическую линзу [2]. В такой кювете - мягкой диафрагме возможно получить супергауссовую функцию пропускания и, за счет высоких значений коэффициента поглощения красителя, значения контраста вплоть до K ≥ 10⁶ [2].

Основным недостатком предлагавшихся в работах [2, 3, 5, 6] конструкций кювет - мягких диафрагм является необходимость с очень высокой точностью подбирать равенство показателей преломления заполняющей кювету жидкости, n_ж, и материала окна с криволинейной поверхностью n₁, а также необходимость строго контролировать температурный режим таких кювет - мягких диафрагм. Действительно, кювета с линзоподобным окном обладает значительной оптической силой, если только заполняющая кювету рабочая жидкость не является строго иммерсионной жидкостью для материала окна с криволинейной поверхностью. Отклонение от иммерсии будет, естественно, вызывать сильные фазовые искажения в пучке, проходящем такую кювету. По оценкам, для диафрагм с апертурами 70 мм допустимое отклонение показателей преломления Δn=n₁-n_ж не должно превышать 10^-5. В этом случае фазовые искажения в пучке, прошедшем кювету - мягкую диафрагму, будут укладываться в пределах дифракционного угла 10^-5 рад. Это условие, как нетрудно видеть, накладывает жесткие требования и на температурный режим такого устройства. Действительно, температурный коэффициент показателей преломления β большинства органических растворителей для красителей, используемых в лазерах видимого и ближнего ИК диапазонов длин волн λ, составляет величину β_ж =(-2)-(-5) · 10⁴/K [9]. Для большинства стекол и кристаллов, которые могут быть использованы в конструкции кюветы, в этом же диапазоне длин волн β₁ = 10^-6 - 10^-7 /К [10]. Таким образом, основной причиной нарушения условия иммерсии в кювете окажутся вариации величины n_ж, связанные с небольшими отклонениями температуры кюветы. Для поддержания условия иммерсии в кювете потребуется, таким образом, ее термостабилизация с точностью Δt ≈ 0,1 К. Эти особенности работы мягких диафрагм - кювет [2, 3, 5, 6] с профилированным слоем жидкости затрудняют, конечно, их практическое использование.

Известна конструкция кюветы с двумя плоскопараллельными окнами, разделенными вставкой (вкладышем) из плоскопараллельной кварцевой пластины [11]. Такой вкладыш образовывал с входным и выходным окнами кюветы зазоры с постоянной толщиной, заполнявшиеся одним и тем же раствором просветляющегося красителя [11] . Кювета в работе [11] использовалась в качестве межкаскадной развязки усилителя- обострителя лазерных импульсов. Кювета с плоскопараллельным вкладышем не могла при этом обеспечивать функции мягкой диафрагмы.

Наиболее близким к изобретению (прототипом) является устройство мягкой диафрагмы-кюветы, рассматривавшееся в работе [12]. В этой работе приведена конструкция кюветы фиг.1 с двумя окнами, герметично соединенными между собой с зазором, заполненным рабочей жидкостью, причем толщина зазора нарастает от оси кюветы к ее периферии за счет линзоподобного профиля поверхности одного из окон. На фиг.1 и в тексте приняты следующие обозначения: 1 - окна кюветы (стекло, кварц); 2 - профилированная зона окна; 3 - слой поглощающей жидкости,
4 - плоскость оптического контакта.

Отмечается, что для создания профилированного слоя рабочей жидкости в кювету может быть помещен вкладыш, однако конструкция кюветы со вкладышем не приводится. Достоинством конструкции мягкой диафрагмы-кюветы из работы [12] является ее герметичность, что существенно при работе с агрессивными и токсичными рабочими жидкостями. При использовании в кювете растворов просветляющегося под действием лазерного излучения красителя кювета-мягкая диафрагма может применяться и в качестве пассивного затвора-модулятора добротности в генераторе или межкаскадной развязке в лазерном усилителе. Необходимо отметить, что при использовании просветляющегося красителя профиль пропускания кюветы начинает зависеть от интенсивности падающего на нее лазерного излучения. Однако и для конструкции кюветы из работы [12] свойственны отмеченные выше недостатки, затрудняющие ее использование в качестве мягкой диафрагмы и пассивного затвора: необходимость подбора с высокой точностью равенства показателей преломления рабочей жидкости и материала окна с криволинейной поверхностью и, как следствие, необходимость жесткой термостабилизации кюветы.

Задачей данного изобретения являлось создание конструкции мягкой диафрагмы для лазеров на основе кюветы с поглощающей лазерное излучение жидкостью, обладающей сглаженной функцией пропускания с высоким контрастом и обеспечивающей аподизацию пучков лазерного излучения в ближнем УФ, видимом и ближнем ИК диапазонах длин волн, и при этом не требующей жесткой термостабилизации и точного подбора равенства показателей преломления материалов оптических деталей кюветы и рабочей жидкости. При использовании в кювете просветляющегося красителя кювета также должна выполнять функции пассивного оптического затвора.

Заявляемое техническое решение представляет собой мягкую диафрагму для лазеров на основе кюветы, фиг.2, с двумя окнами, герметично соединенными между собой проставочным кольцом с отверстиями и образующими корпус, содержащий вкладыш из оптически прозрачного материала с показателем преломления n_в, размещенный между окнами с двумя зазорами, заполненными через отверстия жидкостью с показателем преломления n_ж, поглощающей излучение с длиной волны λ из лазерного пучка, падающего на кювету, причем толщина по крайней мере одного из зазоров, заполненного жидкостью, нарастает от оси кюветы к ее периферии. При этом вкладыш выполнен в виде выпукло-вогнутого мениска со сферическими или асферическими поверхностями, а зазоры заполнены независимо различными жидкостями, причем поглощающей лазерное излучение жидкостью с показателем преломления n_ж заполнен только зазор между одним из окон кюветы и выпуклой поверхностью мениска, а второй зазор заполнен прозрачной для лазерного излучения жидкостью с показателем преломления n_ж1, при этом рассогласования Δn_1,2 показателей преломления вкладыша и жидкостей Δn_1,2 = n_в-n_ж2 выбираются такими, чтобы максимальный угол отклонения пучка излучения, выходящего на периферии кюветы при Ψ (а), находился в пределах дифракционного угла для апертуры кюветы диаметром 2а, Ψ (а) < 1,22 λ /2а.

Кроме того, при использовании в кювете в качестве поглощающей жидкости просветляющегося красителя кювета может быть использована как пассивный затвор для лазеров.

Конструкция кюветы представлена на фиг.2. На фиг.2 и в тексте приняты следующие обозначения:
1 - окна кюветы (стекло, кварц),
2 - проставочное кольцо (стекло, кварц) на оптическом контакте с окнами,
3 - слой поглощающей жидкости,
4 - вкладыш в виде выпукло-вогнутого мениска (стекло, кварц, пластмасса),
5 - уплотнения,
6 - отверстия для заливки жидкости,
7 - слой непоглощающей жидкости.

Корпус кюветы образуется двумя плоскопараллельными окнами 1 из оптически прозрачного материала, герметически соединенными между собой проставочным кольцом 2. В корпусе между окнами кюветы размещен вкладыш 4 из оптически прозрачного материала в виде выпукло-вогнутого мениска. Образующиеся между окнами и вкладышем зазоры заполняются жидкостью, причем поглощающей лазерное излучение жидкостью 3 (например, раствором красителя) заполняется только один из зазоров между окном кюветы и выпуклой поверхностью мениска. Этот зазор и формирует мягкий профиль пропускания кюветы. Второй зазор - между вогнутой поверхностью мениска и другим окном заполняется прозрачной для лазерного излучения жидкостью 7 (например, чистым растворителем без красителя). В конструкции кюветы предусмотрены уплотнения 5 и отверстия 6, выполненные в проставочном кольце для раздельного заполнения зазоров рабочими веществами.

Такая конструкция обеспечивает работу кюветы в качестве мягкой диафрагмы в практически приемлемых, некритичных по отклонениям показателей преломления Δn = n_в-n_ж и по термостабилизации условиях. Действительно, оптическая сила мениска, находящегося в среде с близким показателем преломления, весьма мала. В этой связи для конструкции заявляемой кюветы следует ожидать значительного смягчения требований на допустимые значения отклонения показателей преломления вкладыша и жидкости Δn и соответственно на отклонения температуры. Для пояснения сущности заявляемого технического решения на фиг.3а и б приводится сопоставление хода лучей пучка излучения, проходящего через кювету с равнотолщинным менисковым вкладышем, фиг.3а, и через кювету, в которой вкладыш представляет собой плосковыпуклую линзу, фиг.3б. На фиг.3а и б и в тексте приняты следующие обозначения:
H - толщина мениска,
h(r) - профиль поглощающего слоя,
r - радиус кюветы,
R - радиусы кривизны сферических поверхностей мениска,
ϕ - угол отклонения луча, прошедшего кювету с равнотолщинным мениском,
ϕ₁ - угол отклонения луча на выходе кюветы с плосковыпуклой линзой.

Угол отклонения ϕ для луча, прошедшего кювету с равнотолщинным мениском, фиг.3а, описывается следующим соотношением:

Здесь n^* = n_в/n_ж - относительный показатель преломления для границы раздела мениск - жидкость, n_в - показатель преломления для границы раздела мениск - воздух, т. е. Δn-n_ж(n^*-1). Для сравнения угол отклонения ϕ₁ для кюветы с линзой, фиг.3б, описывается формулой

Применение кюветы с мениском может обеспечить, таким образом, выигрыш в угле отклонения порядка

Полученные соотношения справедливы для малых углов падения, dh(r)/d_r << 1. (4)
Нижеследующие примеры сопоставляют величины характерных угловых отклонений пучка на периферии кюветы с менисковым вкладышем со сферическими и асферическими поверхностями с отклонениями пучка в случае применения линзоподобного вкладыша. Для простоты расчетов менисковые вкладыши считались равнотолщинными, а линзовый вкладыш - плоско-выпуклым. Условие (4) во всех примерах выполнено n_ж1 = n_ж2 = n_ж
Пример 1. Сферические поверхности стеклянного мениска радиуса R. Выражение (1) для ϕ при этом

При r=a =3,5 см, Δn = 0,015, n^* -1 = 10^-2, H = 0,5 см; R = 17.5 см; n_в = 1,5, n_ж = 1,485. Максимальный угол отклонения пучка на выходе из кюветы 8 · 10^-7, что заведомо меньше, чем дифракционная расходимость пучка на апертуре 2а = 7 см, Ψ_д = 1,7 ·10^-5.

Сферическая поверхность мениска создает профиль пропускания кюветы вида гауссовой функции. Для падающей интенсивности I₀(r) = const при h₀ = 0 прошедшая интенсивность пучка будет

где a - радиус, соответствующий спаданию интенсивности в К раз. Для K= 1000 из представленных выше данных можно вычислить требуемый коэффициент поглощения раствора красителя (без просветления) к= 20 см^-1 и толщину его слоя на периферии кюветы h(a)=3,5 мм.

Для сравнения вычисляем угол отклонения пучка ϕ₁ для кюветы-прототипа с вкладышем в виде плосковыпуклой линзы, фиг.3б:

Это отклонение значительно больше дифракционного угла и недопустимо при работе с пучками, имеющими угловую расходимость ≅ 10^-4 рад. Отношение углов отклонения ϕ/ϕ₁ = 10^-4, т.е. выигрыш в уменьшении искажений угловой расходимости лазерного пучка в случае использования кюветы с менисковым вкладышем составляет 4 порядка при значении Δn = 0,015.

Пример 2. Асферические поверхности равнотолщинного менискового вкладыша. Профиль пропускания диафрагмы в этом случае должен обеспечивать формирование пучка с распределением интенсивности вида
.

Профиль слоя красителя

где h₀ = h(0).

Для K=1000 максимальная толщина слоя красителя (без просветления) h(a) = 1,4 мм, для k = 50 см^-1.

Максимальный угол отклонения пучка на выходе кюветы описывается в этом случае выражением вида

Произведем оценку отклонения пучка в кювете с мениском для следующих значений параметров:
N = 5, а = 3,5 см, H = 0,5 см, n_в = 1,5, n^*-1 = 10^-2, Δn = 0,015, k = 50 см^-1. Получаем ϕ ≃ 3·10^-6. Отклонение луча в кювете с асферической линзой (фиг.3б) ϕ₁ ≃ 3 · 10^-3, что неприемлемо для практики.

Выигрыш от применения мениска в этом случае ϕ/ϕ₁ = 1 · 10^-3.

Таким образом, использование в кювете менискового вкладыша как со сферическими так и с асферическими поверхностями не приводит к угловым отклонениям лазерного пучка за пределы дифракционной расходимости. Проведенные расчеты показывают, что примененные кювет с менисковым вкладышем может обеспечить работу подобных устройств в качестве "мягких" диафрагм при рассогласованиях коэффициентов преломления жидкости и вкладыша вплоть до 0,1. Это означает практически нечувствительность таких кювет к изменениям температуры в пределах нескольких градусов. Кроме того, открывается возможность поиска различных материалов для изготовления окон и вкладыша кюветы среди широкого класса сред, прозрачных в ближнем УФ, видимом и ближнем ИК участках спектра, включая не только стекла и кристаллы, но, например, и оптические пластмассы. Расширяется также и диапазон возможных растворителей, красителей, растворов солей для заполнения кюветы. Интерес может вызвать применение в кюветах нетоксичных, неагрессивных растворителей, таких, например, как вода. Перечисленные преимущества должны способствовать широкому практическому применению предлагаемой конструкции с лазерами, работающими в ближнем УФ, видимом и ближнем ИК участках спектра. Выбор формы поверхности менискового вкладыша позволит формировать распределение интенсивности в лазерных пучках как гауссовой, так и супергауссовой формы, а выбор концентрации красителя в растворе позволит получать для этих распределений значения контраста K = 10² - 10⁶.

Пример 3.

Применение просветляющегося красителя в заявляемом устройстве придает ему функции пассивного затвора: модулятор добротности или межкаскадной развязки в лазерной установке. Профиль пропускания кюветы с просветляющимся красителем начинает зависеть от интенсивности падающего излучения. Это означает, что профиль лазерного пучка, прошедшего оптический элемент, будет различным, например, на фронтах и в максимуме лазерного импульса, хотя и будет сглаженным (мягким). Применение кюветы с мягкой апертурой с просветляющимся красителем в качестве модулятора добротности в резонаторе лазера или в качестве пассивной развязки-обострителя импульсов в каскадах усиления будет определяться конкретными условиями лазерной установки и типом используемого красителя. Необходимо отметить, что применение в кювете с мениском вместо обычного красителя просветляющегося практически не оказывает влияния на оптическую силу устройства. Поэтому все выводы, касающиеся преимуществ кюветы с менисковым вкладышем по сравнению с линзовым вкладышем в части угловой расходимости прошедшего кювету пучка, остаются в силе.

Литература
1. Баранова Н. Б. , Быковский Н. Е. , Зельдович Б.Л., Сенатский Ю.В. "Дифракция и самофокусировка излучения в усилителе мощных световых импульсов". Квантовая электроника, 1, 11, 2435-2458 (1974).

2. Costich V.L. and Johnson B.C. "Apertures to shape high-power beams" Laser Ffocus, September 1974, pp.43-46.

3. Lawrence Livermore Laboratory Laser Fusion Program Semiannual Report, July- Dec 1972, UCRL-50021-72-2.

4. McMahon J.M., Burns R.P., Debiux Т.Н. et al. "The Upgraded Pharos II Laser System", IEEE J. of Quantum Electronics, vol QE-17,9, pp.l629-1638 (1981).

5. Rizvi N., Redkiss D., Panson C. "Apodizer development", Rutherfford Appleton Lab., Ann. report, RAL-87-041, pp.113-114 (1987).

6. Лукишова С.Г., Красюк И.К., Пашинин П.П., Прохоров А.М. "Аподизация световых пучков как метод повышения яркости лазерных установок на неодимовом стекле". Труды ИОФАН, 7, 92-147 (1997).

7. Мак А.А., Сомc Л.И., Фромзель В.А., Яншин В.Е. "Лазеры на неодимовом стекле". М., Наука (1990).

8. Van Wonterghen B. M., Murray J.R., Campbell J.H. "Performance of a prototype for a large-aperture multipass Nd:glass laser for inertial confinement fusion", Appl. Optics 36, 21, 4932-4953 (1997).

9. Шелюбский В.И. "Контроль однородности и состава стекла". М. "Стройиздат" (1990).

10. "Физические величины". Справочник под ред. Григорьева Д.С. и др. М. "Энергоатомиздат" (1991).

11. K. Ueda et all. "Sub-picosecond pulse generation of KrF amplifier using acridine saturable absorber", Proc. of SPIE, vol. 1225, pp.95-106 (1990).

12. V.Mizin, Yu.Senatsky, S.Sobolev, L.Vinogradsky, I.Zubarev "Development of the Nonlinear Optical Element for light Beams Apodization and Large Aperture Laser Amplifiers Decoupling" Report submitted to the I-st International Conf. on Physics and Applications of High-Power Laser Ablation. 26-30 апреля 1998, Санта-Фе, США; Proc.of SPIE, vol.3343, рр.344- 351 (1998).

Формула изобретения

1. Мягкая диафрагма для лазеров на основе кюветы с двумя окнами, герметично соединенными между собой с зазором, заполненным жидкостью, поглощающей излучение с длиной волны λ из лазерного пучка, падающего на кювету, причем толщина зазора нарастает от оси кюветы к ее периферии, отличающаяся тем, что окна кюветы соединены проставочным кольцом, содержащим вкладыш из оптически прозрачного материала с показателем преломления n_в в виде выпукло-вогнутого мениска со сферическими или асферическими поверхностями, образующий с окнами кюветы два зазора, заполненных независимо через отверстия различными жидкостями, причем поглощающей лазерное излучение жидкостью с показателем преломления n_ж1 заполнен только зазор между одним из окон кюветы и выпуклой поверхностью мениска, а второй зазор заполнен прозрачной для лазерного излучения жидкостью с показателем преломления n_ж2, при этом рассогласования Δn₁ и Δn₂ показателей преломления вкладыша и жидкостей Δn₁ = n_в - n_ж1 и Δn₂ = n_в - n_ж2 выбираются такими, чтобы максимальный угол отклонения пучка излучения ϕ(a) на выходе из кюветы с диаметром 2a находился в пределах дифракционного угла для апертуры кюветы ϕ(a) < 1,22 / 2a.

2. Мягкая диафрагма для лазеров на основе кюветы по п.1, отличающаяся тем, что поглощающей жидкостью в зазоре кюветы является фототропная среда.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3