Способ и устройство формирования мощного лазерного импульса

Изобретение относится к лазерной технике и может быть использовано технике мощных многоканальных лазерных установок с уровнем мощности излучения >10¹² Вт. Способ построения лазера основан на формировании частично когерентного лазерного импульса. Характеристики лазерного импульса заданы расчетной функцией взаимной когерентности. Значения функции необходимы и достаточны для оптимального согласования системы лазер-мишень. Устройство формирования мощного лазерного импульса содержит задающий генератор, систему формирования пространственно-временных характеристик лазерного импульса, усилители. Усилители размещены последовательно по возрастающему сечению усиливаемого пучка в соответствии с пространственно-угловым распределением интенсивности излучения. Распределение согласовано с расчетной функцией взаимной когерентности. Техническим результатом является создание лазерной установки, обеспечивающей формирование высокооднородного распределения интенсивности в фокусе лазера, при упрощении ее конструкции, сокращении габаритов, повышении эффективности съема инверсии и снижении стоимости единицы лазерной энергии. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к лазерной технике.

Изобретение может быть использовано при создании мощных многоканальных лазерных установок с уровнем мощности излучения >10¹² Вт.

Известен способ формирования мощного лазерного импульса на основе когерентного излучения (Установка Дельфин, Басов Н.Г. и др. "Труды ФИАН", 1978, 103, 3-51). В установке использовалась система последовательно-параллельного размещения усилительных каналов с активными однотипными стержневыми элементами из Nd-стекла марки ГЛС-1 (диаметром 45 мм и длиной накачиваемой части 600 мм). Повышение энергии и улучшение пространственно-угловых характеристик лазерного излучения осуществлялось за счет пространственного деления пучка с последующим усилением. Недостатком этого способа, при используемом объеме активного материала, является низкий уровень плотности мощности на выходе ˜1 ГВт/см², который ограничивался порогом развития самофокусировки.

Известен также способ формирования мощного лазерного импульса на основе когерентного излучения с использованием пространственных фильтров-расширителей пучка (The Shiva Laser-Fusion Facility, Speck D.R. et al. "IEEE J. of Quant. Electron.", 1981, QE-17, 9, 1599-1619.) Установка "Шива" включает 20 параллельных усилительных каналов, каждый из которых состоит из стержневых и дисковых усилителей, изолирующих элементов, пространственных фильтров. Выходная апертура 200 мм при входной - ⊘26 мм. Суммарная мощность фокусируемого излучения ˜30 ТВт. Основной недостаток такого способа - практически невозможно достижение требуемой однородности облучения сферической мишени. Это обусловлено тем, что в протяженной усилительной системе лазерный импульс проходит сквозь десятки различных оптических элементов, что, в свою очередь, даже при высоком качестве обработки оптических поверхностей приводит к значительным аберрациям волнового фронта. Кроме того, на качество излучения оказывают влияние такие явления, как интерференция и дифракция излучения, мелкомасштабная самофокусировка пучков в оптических средах и т.д. Применение в усилительном тракте специальной оптики позволяет улучшить структуру волнового фронта фокусируемого излучения и согласовать ширину распределения интенсивности в фокусе объектива с размерами мишени. Однако при этом на поверхности мишени формируется спекл-структура, стационарная за время длительности импульса и неустранимая методами линейной оптики.

Большинство действующих в настоящее время и создаваемых вновь мощных лазерных установок основаны также на использовании когерентного излучения (Лазерные термоядерные установки, Басов Н.Г. и др. Радиотехника, 1984, том 25, часть 1.).

Основными недостатками установок на основе когерентного излучения являются:

1. Практическая невозможность реализации требуемой однородности облучения мишени, как следствие неоднородности распределения интенсивности излучения в фокусе лазера.

2. Необходимость применения сложных устройств для подавления мелкомасштабной самофокусировки в оптической среде лазера.

3. Принципиальная невозможность удаления спекл-структуры с поверхности мишени.

4. Сложность конструкции и высокая стоимость единицы лазерной энергии.

Задачей, решаемой изобретением, является создание лазерной установки, обеспечивающей формирование высокооднородного распределения интенсивности в фокусе лазера, при упрощении ее конструкции, сокращении габаритов, повышении эффективности съема инверсии и снижении стоимости единицы лазерной энергии.

Для решения этой задачи предложен способ формирования мощного лазерного импульса, основанный на использовании частично когерентного лазерного излучения, характеристики которого заданы функцией взаимной когерентности Г(x₁, x₂, t), значения которой необходимы и достаточны для обеспечения однородного распределения интенсивности на выходе и в фокусе лазера. При применении частично когерентного лазерного импульса в оптической среде лазера подавляются интерференционные и дифракционные явления и, как следствие, мелкомасштабная самофокусировка лазерных пучков, ограничивающая удельный энергосъем с активной среды лазера.

Возможность создания таких лазеров основана на том, что практически во всех действующих в настоящее время и создаваемых вновь установках для лазерного термоядерного синтеза когерентность излучения избыточна. Действительно, когерентный пучок лазерного излучения при фокусировке может быть сконцентрирован в пятно, размер которого определяется радиусом кружка Эйри, т.е.

где λ - длина волны излучения. Отсюда видно, что при светосиле объектива D/F˜1/10 и λ˜1 мкм радиус пятна фокусировки составляет ˜12 мкм, что значительно меньше размеров термоядерной мишени (˜1 мм). Поэтому возможно снижение степени пространственной когерентности излучения на фактор d_м/d_Ф, что приводит к более эффективному согласованию параметров системы лазер-мишень, где d_м/d_Ф - отношение размеров мишени и фокального пятна.

Выражение для функции взаимной когерентности Г[х₁, х₂, t] лазерных импульсов длительностью ˜ 10^-9 сек, можно представить в виде

где степень пространственной когерентности γ₁₂=λ/(α·D) - размер когерентности, отнесенный к апертуре пучка, а степень временной когерентности импульса γ_τ=λ²/(δλ·с·τ) - время когерентности, нормированное на длительность импульса τ; α - расходимость лазерного пучка, δλ - ширина линии генерации, с - скорость света. В приближении линейной оптики степень пространственной когерентности лазерного пучка γ₁₂ определяет характерный пространственный масштаб неоднородности амплитуды поля излучения, и для случая частично когерентного излучения 0<γ₁₂<1. Степень временной когерентности импульса γ_τ - это степень усреднения неоднородности амплитуды поля за время, равное длительности импульса τ.

Проанализируем предельно-возможные значения степени пространственной когерентности γ₁₂, допустимые для реализации на поверхности мишени заданной плотности потока излучения q_м. Выражение для плотности потока в фокусе объектива со светосилой D/F имеет вид

где В_л - яркость лазерного пучка. Проведя несложные преобразования, получим формулу для допустимого значения степени когерентности в виде

где q_Л - плотность потока лазерного излучения на выходе.

Параметр γ₁₂ играет важнейшую роль в лазерах для ЛТС. Во-первых, именно его значением определяется характерный пространственный масштаб неоднородности плотности потока излучения на мишени Δx˜α·F·γ₁₂ и, во-вторых, его изменением достигается возможность управления распределением интенсивности в плоскости мишени. Например, для q_м=10¹⁴ Вт/см² при диаметре выходной апертуры усилительной системы 60 мм, степень когерентности пучка может быть снижена до величины 2·10^-2. При этом массив точек для управления распределением интенсивности в пределах пятна фокусировки составляет 2,5·10³. Увеличение апертуры формируемых пучков ведет к расширению возможностей управления распределением интенсивности.

Механизм развития мелкомасштабной самофокусировки в оптической среде выглядит следующим образом. При распространении мощной световой волны в неоднородной среде возникает рассеянное излучение, интенсивность и угловой спектр которого определяются плотностью неоднородностей и их характерными размерами. Поле рассеянного излучения когерентно по отношению к излучению лазерного импульса, что приводит в результате их интерференционного взаимодействия к пространственной модуляции амплитуды поля сильной волны в широком интервале пространственных частот возмущений. При распространении лазерного импульса в среде с нелинейным показателем преломления амплитуда возмущений а(х_m) возрастает различно для разных пространственных частот х_m. Наиболее интенсивно усиливается некоторый выделенный пространственный масштаб возмущений а(х_М). Рост возмущений в этом случае, при достижении их амплитудой некоторой критической величины, приводит к развитию мелкомасштабной самофокусировки лазерного пучка, формированию нитевидных разрушений активной среды лазера и полной деградации лазерного пучка.

При усилении частично когерентного излучения картина явления существенно отличается. Во-первых, сильная волна представляет собой не δ-функцию, а некоторую кривую I(θ), ширина которой соизмерима со спектром рассеянного излучения. Во-вторых, картина взаимодействия двух волн непостоянна ни во времени, ни в пространстве. И, наконец, интерференционное взаимодействие рассеянного излучения возможно только в пределах размера когерентности сильной волны.

Временная когерентность γ_τ не оказывает сколько-нибудь существенного влияния на пространственное распределение амплитуды поля лазерного излучения. Единственное, в чем может проявляться ограниченность длины когерентности L_ког=λ²/δλ, - это взаимодействие рассеянного излучения, распространяющегося под большим углом к оси пучка, с полем сильной волны. В этом случае, если до точки наблюдения разность хода лучей превысит длину когерентности, интерференционная картина не наблюдается и происходит обрезание высоких пространственных частот в спектре нелинейного усиления шума.

Еще одним преимуществом лазеров, построенных по принципу формирования импульсов с расчетной функцией взаимной когерентности излучения, является существенное упрощение требований к используемой оптике.

В самом деле, для "проводки" лазерного пучка с расходимостью α через сложную оптическую систему без нарушения его качества, необходимо, чтобы суммарная волновая аберрация, обусловленная неоднородностью оптической среды по показателю преломления, отклонениям поверхностей используемой оптики от идеальной, тепловыми линзами и т.д., приводящими к ухудшению пучка, удовлетворяла условию:

где n - показатель преломления среды, λ - длина волны излучения.

Если аберрации волнового фронта обусловлены, главным образом, отклонением формы изготовления поверхностей оптических элементов от идеальной, которую в оптике принято оценивать числом интерференционных колец N на базовой длине D, из неравенства (5) можно получить следующее условие на точность обработки поверхностей:

Здесь λ₀ - длина волны излучения контроля, М - количество оптических поверхностей в оптическом тракте лазера. Например, для дифракционного пучка (γ₁₂˜1) значение N<1, для частично когерентного излучения величина N может быть увеличена на (1/γ₁₂). Поэтому требования к качеству обработки оптических элементов схемы такого лазера существенно снижаются, а с учетом исключения из схемы пространственных фильтров, аподизирующих диафрагм и прочих устройств, используемых для поддержания качества пучков, затраты на изготовление лазера уменьшатся в несколько раз.

На чертеже представлена оптическая схема мощного импульсного лазера, в котором реализован способ формирования лазерного импульса с расчетной функцией взаимной когерентности излучения.

Приведенная схема состоит из следующих узлов:

1. Задающий генератор;

2. Система формирования пространственно-временных характеристик излучения;

3. Усилитель φ20;

4. Усилитель φ30;

5. Усилитель φ45;

6. Усилитель φ45.

Параметры мощного импульсного лазера приведены в таблице.

Задающий генератор	Линейный каскад усиления
Выходная апертура	6 мм	Выходная апертура	≥45 мм
Длительность импульса	40 нс	Длительность импульса	2 нс
Энергия излучения	0.7 Дж	Энергия излучения	≥100 Дж
Расходимость	1.1·10-2	Расходимость	1.4·10-3

Задающий генератор создает лазерный импульс с заданными параметрами по формы и длительности, а также пространственную и временную степени когерентности лазерного импульса.

Система формирования пространственно-временных характеристик лазерного излучения обеспечивает требуемый контраст и уровень энергии, необходимый для загрузки каскадов усиления.

В качестве активных элементов усилительных каскадов используются стержни длиной 680 мм из силикатного стекла марки ГЛС-1. Усилители с диаметром активных элементов 20, 30, 45, 45 мм образуют последовательную оптическую цепь, в которой происходит усиление частично когерентного излучения, сформированного в задающем генераторе и системе формирования пространственно-временных характеристик лазерного импульса.

Предложенное изобретение обеспечивает следующие технические преимущества:

1. Практически полное подавление спекл-структуры излучения для импульса наносекундной длительности.

2. Порог развития самофокусировки смещается в сторону больших значений лазерной нагрузки в активной среде лазера.

3. Отсутствие сложных оптических устройств коррекции волнового фронта лазерного пучка и существенное упрощение требований к используемой оптике.

4. Возможность использования более длинных активных элементов с большими коэффициентами усиления.

1. Способ формирования мощного лазерного импульса, включающий создание и формирование пространственно-временных характеристик импульса, усиление его с подавлением самофокусировки, отличающийся тем, что формирование и усиление лазерного импульса производят по расчетной функции взаимной когерентности

где 0<γ₁₂=λ/(α·D)<1 - степень пространственной когерентности;

γ_τ=λ²/(δλ·с·τ) - степень временной когерентности;

τ - длительность импульса;

λ - длина волны излучения;

α - расходимость лазерного пучка;

D - апертура пучка;

δλ - ширина линии генерации;

с - скорость света.

2. Устройство формирования мощного лазерного импульса, содержащее задающий генератор, систему формирования пространственно-временных характеристик лазерного импульса, усилители, отличающееся тем, что усилители размещены последовательно по возрастающему сечению усиливаемого пучка в соответствии с пространственно-угловым распределением интенсивности излучения, согласованным с расчетной функцией взаимной когерентности.