Достижение предельной направленности и повышение мощности излучения высокоэнергетичных лазеров на Nd-стекле, распространение лазерных пучков на протяженных и экстремально-турбулентных трассах

Оглавление
стр.
Введение............................................................................. 4
Глава 1. Повышение направленности и мощности излучения лазеров методами ОІЗФ и компрессии импульсов при ВРМБ, измерение нелинейных характеристик оптических сред, распространение пучков на турбулентных трассах .....................20
1.1. Обращение волнового фронта излучения при вынужденном рассеянии Мандельштама-Бриллюэна...............................................................20
1.2. Применение ОВФ излучения в лазерных системах на Ш-стекле........................ 24
1.3. Повышение мощности излучения методом компрессии импульсов при ВРМБ..............29
1.4. Измерение характеристик оптических материалов, ограничивающих
мощность и энергию излучения лазеров на стекле.......................................32
1.5. Направленная передача энергии с применением ОВФ.................................39
Гб.Лазсрные пучки в турбулентной среде...............................................43
1.7. Выводы..........................................................................50
Глава 2. Достижение предельной направленности и повышение мощности
излучения многокаскадных лазерных систем на Ыб-стеклс с применением ВРМБ.............51
2.1. Оптическая схема высокоэнергетической лазерной системы с ОВФ излучения..........51
2.2. Методики регистрации параметров излучения и результаты первого
этапа исследований лазерной системы..................................................55
2.3.Исследование ОВФ зеркал типа ВРМБ генератор - ВРМБ усилитель.....................59
2.4.Коррекция астигматических искажений лазерных пучков ВРМБ зеркалами...............74
2.5. Многокаскадный лазер на Ш-стеклс с дифракционной угловой
расходимостью излучения..............................................................84
2.6.Повышенис мощности излучения многокаскадного лазера на МФстекле
методом временной компрессии импульсов при ВРМБ в сжатых газах.......................90
2.7. Выводы..........................................................................105
Глава 3. Измерение характеристик оптических материалов, ограничивающих
мощность и энергию излучения лазеров на Ж-стекле.....................................107
3.1. Лазерная установка для измерений нелинейных характеристик стекол................107
3.2. Измерение коэффициента нелинейности показателя преломления стекол...............110
3.3 Исследование характеристик, определяющих условия возбуждения ВРМБ
излучения в стеклах..................................................................127
3.3.1 Метод и результаты измерений удельного коэффициента усиления при
ВРМБ излучения.......................................................................127
2
3.3.2. Сдвиг частоты при ВРМБ излучения в стекле КГСС 0180, оценка
времени релаксации гиперзвука в стеклах.............................................. 135
3.4. Лучевая прочность поверхности лазерных стекол....................................139
3.4.1. “Экспресс'Чметод измерений лучевой прочности поверхности элементов.............140
3.4.2. Лучевая прочность стекла КГСС 0180 в различных условиях облучения..............148
3.5. Оценка допустимых лучевых нагрузок на активные элементы
усилительного модуля из стекла КГСС 0180..............................................157
3.6. Контроль концентрации микровключений платины в стекле КГСС 0180..................159
3.7. Выводы...........................................................................164
Глава 4. Физическое моделирование направленной транспортировки
лазерного излучения.................................................................. 166
4.1. Физическое моделирование протяженных оптических трасс............................166
4.2. Исследования эффективности передачи энергии лазерного излучения
методом ОВФ...........................................................................173
4.3 Фокусировка обращенного пучка через искажающий слой на трассе................... 181
4.4. Исследование пространственных характеристик лазерного излучения, возмущенного турбулентным потоком на искусственной трассе.............................185
4.5. Выводы......................................................................... 189
Глава 5. Распространение лазерных пучков в турбулентной струе авиадвигателя...........191
5.1 .Постановка исследований.........................................................191
5.2. Методология натурных экспериментальных исследований..............................193
5.3. Результаты натурных экспериментов................................................206
5.4. Математическая модель распространения лазерных пучков в турбулентной
струе авиадвигателя...................................................................228
5.5. Верификация численной модели распространения лазерных пучков
в струе авиадвигателя................................................................ 237
5.6.Условия применения численной модели, оценки энергетических
характеристик возмущенных лазерных пучков различных длин волн........................ 257
5.7. Выводы...........................................................................260
Заключение...........................................................................262
Список литературы.....................................................................265
Приложение 1. Формирование частично-когерентных статистически неизотропных
пучков света в неоднородно усиливающей среде..........................................288
3
Введение
Актуальность
Важнейшие характеристики лазерного излучения, от которых решающим образом зависит эффективность применения лазеров во многих прикладных задачах, - это угловая расходимость, энергия и мощность излучения. В совокупности эти характеристики определяют степень достижимой концентрации энергии лазерного излучения на облучаемых объектах, точность получаемой информации об их пространственных характеристиках или возможности транспортировки энергии на большие дистанции с минимальными потерями.
На практике не составляет больших трудностей сформировать на выходе лазера маломощный пучок с предельно высокой, т.е. дифракционной направленностью, используя, например, хорошо известные методы угловой селекции излучения. Однако уже на трассс распространения, содержащей ту или иную реальную среду или оптические элементы, такой пучок начинает приобретать искажения, приводящие к увеличению его расходимости, снижению пространственной когерентности и яркости. Еще больше проблем, возникает при решении задачи повышения уровня энергии и мощности излучения с сохранением его дифракционной направленности [1]. Падение качества мощного пучка происходит уже не только на трассе распространения, но и в оптическом зракте самой лазерной системы вследствие несовершенства оптических элементов и развития эффектов самовоздействия излучения. Это и определяет неиссякаемый интерес исследователей и разработчиков систем к поиску оптимальных методов формирования пучков, прогнозирования изменений пространственной структуры и выявления факторов, ухудшающих энергетические характеристики излучения. Фактически, это направление исследований родилось одновременно с созданием первого лазера. Однако актуальность и значение его со временем лишь возрастает вместе с энергетическими возможностями лазерных систем и масштабами их практических приложений, среди которых, например, лазерный термоядерный синтез, дальняя светолокация, навигационные системы, передача информации, многочисленные специальные применения.
Настоящая работа сконцентрирована на рассмотрении круга оптических явлений и проблем, возникающих при решении практической задачи формирования высокоинтенсивных лазерных пучков и доставки энергии излучения на удаленные объекты. В их числе - исследование возможностей достижения дифракционной направленности пучков высокоэнергетических лазеров на стекле и повышения их мощности с применением вынужденного рассеяния излучения, выявление и измерение критических характеристик активной среды, ограничивающих энергию и мощность таких лазеров, исследование
4
эффективности транспортировки энергии излучения на протяженных трассах и возможностей прогнозирования пространственных характеристик пучков в экстремально турбулентной среде.
Исследования и поиск решений возникающих в процессе работы проблем осуществлялись на основе развитых к моменту постановки работы наиболее перспективных лазерных, нелинейно-оптических и цифровых технологий. Так, на момент постановки работы многочисленными исследователями уже были продемонстрированы принципиальные возможности повышения направленности и мощности излучения лазеров путем обращения волнового фронта (ОВФ) и компрессии импульсов излучения при вынужденном рассеянии Мандельштама-Бриллюэна (ВРМБ). Однако оказалось, что при переходе к созданию макетов высокоэнергегических систем с выходом на уровне нескольких сот и более джоулей в импульсе необходимо решить ряд проблем.
В части эффективного применения ОВФ при ВРМБ излучения для коррекции искажений пучка основные проблемы связаны с поиском оптимальных схемных решений системы ОВФ, обеспечивающих одновременно и высокое качество обращения фронта пучка, искаженного в мощном усилительном канале, и эффективную работу ВРМБ зеркала при энергиях накачки, на порядок превышающих уровень в доли джоуля, реализованный на небольших лабораторных установках. Исследователями отмечались трудности коррекции аберраций типа астигматизма, присущих оптическому каналу многокаскадного усилителя, а при повышении энергии излучения на входе нелинейной среды наблюдалась конкуренция с ВРМБ излучения самофокусировки и оптического пробоя, резко снижающих качество ОВФ.
Применение ВРМБ для многократного сжатия лазерных импульсов во времени без больших потерь энергии позволяет существенно повысить мощность излучения с одновременным упрощением схемы высокоэнсргетичного лазера. Архитектура построения системы по схеме лазер-ВРМБ-компрессор становится энергетически выгодной, когда задача повышения мощности излучения многокаскадного лазера на стекле наталкивается на ограничения, обусловленные развитием нелинейных эффектов в его тракте. В работе предстояло исследовать возможности масштабирования подобных систем до уровня энергии излучения в несколько сот джоулей. В ходе исследований следовало решить вопрос об оптимальном для ВРМБ-компрессии временном профилировании импульса излучения в высокоэнерге гических системах, построенных по схеме лазер-ВРМБ-компрессор.
Выбор схем и архитектуры построения высокоэнергетичных лазерных систем, предотвращающих развитие таких опасных нелинейных эффектов, как оптический пробой, мелкомасштабная самофокусировка излучения и возбуждение ВРМБ, невозможно без
5
достоверного знания ряда характеристик элементов лазера, к которым относятся лучевая прочность, коэффициент нелинейности показателя преломления (пг) и удельный коэффициент усиления при ВРМБ (#) лазерных стекол, концентрация в их объеме микровключений платины. Особое значение и актуальность разработки надежных методик измерений этих параметров лазерных стекол диктуется развертыванием в России программы создания многоканальных лазерных систем на К'сГстекле с уровнем энергии в импульсе до 1 МДж в интересах осуществления лазерного управляемого термоядерного синтеза (ЛТС). Такого класса установки создаются (“Луч”) и проектируются (“Искра-6”) в настоящее время в РФЯЦ ВНИИЭФ (г. Саров) на основе усилительных модулей с дисковыми
О О
активными элементами (ДАЭ) с рабочей апертурой 20x20см и 30x30см из нового, еще находящегося в процессе разработки (НИТИОМ ВНЦ “ГОИ им. С.И. Вавилова”), фосфатного неодимового стекла КГСС 0180. Предполагаемый объем производства ДАЭ составит более тысячи нггук, что выдвигает высокие требования к надежности и точности измерений указанных характеристик, определяющих пригодность стекла к использованию в этих лазерных системах. Отсюда же вытекает необходимость осуществления текущего контроля плавок стекла по всем критическим характеристикам при производстве элементов. В то же время существующие методы их измерения не вполне отвечают этим требованиям и, что также важно, весьма трудно осуществить их совмещение в рамках одного измерительного комплекса.
Создание высокоэнергетических лазерных источников с дифракционной расходимостью излучения позволяет более эффективно решать задачи, связанные с необходимостью направленной транспортировки энергетических потоков на дальние расстояния. Понятно, что эффективность передачи энергии на приемное устройство будет определяться и пространственными характеристиками пучка, сформированными на трассе распространения, и точностью попадания в пределы апертуры приемника. Повысить эффективность передачи энергии излучения лазера в область удаленной или малоразмерной приемной системы позволяет метод (или алгоритм) ОВФ - самонаведения, основанный на фундаментальном свойстве обращенной волны точно воспроизводить траекторию распространения излучения в обратном направлении к источнику сигнальной волны. При решении реальных задач, требующих осуществления транспортировки энергии, наряду с большой дистанцией приходится сталкиваться с сильными ограничениями размеров (в масштабах, определяемых длиной дистанции) апертур приемных и передающих систем. В этих условиях эффективность передачи энергии может падать из-за снижения качества ОВФ пучка, несущего энергию, в силу апертурных ограничений. Свою роль могут играть дифракционные эффекты и наличие фазоискажающего слоя на трассе распространения
6
пучка. Вопрос о возможностях оптимизации энергообмена между приемо-передающими устройствами при сильных апертурных ограничениях требует изучения. При этом в обеспечение исследований необходимо разработать методы и средства экспериментального моделирования процессов распространения излучения на протяженных трассах.
Оценка точностных и энергетических возможностей проектируемой лазерной аппаратуры, работающей в атмосферных условиях, невозможна без адекватною прогнозирования степени турбулентных искажений пространственных характеристик лазерных пучков. В большинстве исследований, выполненных до настоящей работы, основное внимание уделялось распространению лазерного излучения в условиях естественной атмосферной турбулентности. Однако на практике не менее важно знать характеристики излучения, прошедшего турбулентные зоны искусственного происхождения, например турбулентный след летательного аппарата или струю турбореактивного двигателя самолета. Упомянем, например, задачи разработки систем обеспечения безопасности полетов авиатехники на базе лазерных средств, бортовых систем лазерной связи и управления летательными аппаратами. Как правило, уровень турбулентности в такою рода зонах экстремально высок: на 3-5 порядков выше, чем в естественных условиях: величина структурной характеристики турбулентности в струе
авиадвигателя, например, имеет порядок Сп2~\ 0'9м_2/3, в то время как в свободной атмосфере ~ Ю'^м^-Ю'^м'273. Это обстоятельство, наряду с возможными другими, например, с анизотропией турбулентной среды или отсутствием локальной статистической однородности, не позволяют напрямую использовать уже развитые теории и модели распространения излучения в естественной атмосфере. Поэтому актуальна задача проведения натурных экспериментальных исследований распространения лазерного пучка в экстремально турбулентной среде, такой, как струя турбореактивного авиадвигателя и создания на их основе численной математической модели распространения пучка в таких условиях.
Цель диссертационной работы - разработка методов и средств достижения предельной направленности и повышения мощности излучения многокаскадных лазеров на Ы<1-стекле, определения критических характеристик оптических материалов, ограничивающих мощность и энергию излучения таких лазеров, повышения эффективности транспортировки излучения на протяженных трассах и прогнозирования структуры пучков в экстремально-турбулентной среде.
В соответствии с поставленной целью в работе решаются следующие задачи:
- исследование и разработка схемных решений, методов и условий применения ОВФ-зеркат на основе ВРМБ излучения, обеспечивающих коррекцию присущих оптическому
7
тракту многокаскадных лазеров на стекле плавных аберраций типа астигматизма и выдерживающих световые нагрузки, превышающие обычные - доли джоуля - на порядок; -экспериментальное исследование многокаскадной высокоэнергетичной лазерной системы на Ш-стеклс с различными вариантами ОВФ зеркал на основе ВРМБ;
-разработка методов ВРМБ-компрессии импульсов излучения накачки с характерным для лазерных систем укороченным передним фронтом и экспериментальное макетирование ВРМБ-компрессора в составе высокоэнергетичного лазера на Ыб-стекле;
-разработка на базе современных цифровых технологий методов и средств комплексного измерения ряда основных критических характеристик оптических материалов и элементов: П2\ к; лучевой прочности, объемной концентрации микровключений платины в лазерном стекле.
- разработка методов моделирования направленной передачи энергии на протяженных трассах и исследование эффективности доставки энергии излучения с применением алгоритма ОВФ-самонаведения;
- исследование в натурных экспериментах распространения лазерных пучков в струе турбореактивного авиадвигателя и разработка математической модели распространения излучения в экстремально-турбулентной среде;
Методология работы
При выполнении исследований почти все эксперименты сопровождаются расчетно-теорстичсскими оценками результатов, полученными из известных и многократно апробированных теоретических соотношений и положений. Пути решения поставленных в работе задач в части многокаскадных лазерных систем (реализация дифракционной направленности излучения, сжатия импульса) и транспортировки энергии излучения на протяженных трассах базировались на перспективных методах ОВФ и компрессии импульсов излучения при ВРМБ. Методы измерений нелинейных характеристик стекол построены на цифровой регистрации ПЗС матрицами пространственных характеристик излучения, возмущенного исследуемым нелинейным процессом (самофокусировка, ВРМБ), и последующем сравнении их с расчетными характеристиками, полученными из обоснованных теоретических соотношений. В исследованиях лучевой прочности стекол производимые тестирующим излучением микроразрушения регистрируются в цифровом виде для последующей обработки совместно с записанным распределением интенсивности пучка. Распространение лазерного пучка в струе авиадвигателя исследовалось в натурных экспериментах, методически предварительно проработанных на искусственной трассе. Численное моделирование процесса распространения строится на основе метода статистических испытаний, используется случайное представление хаотически-
8
неоднородного ноля показателя преломления фазовых экранов, имитирующих действие турбулентной струи и принцип Гюйгенса-Френеля для расчета распространения пучка в свободном пространстве.
Научная новизна
1. Экспериментально показано, что высокое качество ОВФ излучения в диапазоне энергий излучения накачки до 4 Дж достигается при использовании двухкаскадиых схем ВРМБ зеркал без межкаскадных ослабителей и фазовых аберраторов. Обнаружена возможность повышения энергетической эффективности и точности обращения излучения при использовании двухкаскадного ОВФ зеркала на стекле ГЛС - 22 за счет нагрева среды ВРМБ усилителя. Найден оптимальный перепад температур для данной среды усилителя и генератора ДТ = 45° С и соответствующее смещение акустическою резонанса частот Ду = 70 ± 15 МГц. Разработана методика энергетического расчета двухкаскадных ОВФ зеркал в условиях высоких световых нагрузок и методика сквозного расчета многокаскадных двухпроходовых усилителей на Кс1-сгекле с такими зеркалами. Установлено, что качество коррекции астигматических искажений ВРМБ зеркалом с фокусировкой накачки зависит от способа формирования пучка в тракте усилителя. При наличии модуляции интенсивности с минимумом вблизи оси в пучке на входе ВРМБ генератора в обращенном излучении присутствуют остаточные искажения, которые могут быть следствием его неполной пространственной когерентности.
2. Впервые экспериментально продемонстрирована возможность формирования дифракционно-ограниченного пучка диаметром 85 мм в многокаскадном лазере на N6-стекле с ОВФ с энергией в импульсе 450 Дж при длительности импульса 25 не.
3. Предложен метод реализации устойчивого режима временной компрессии при ВРМБ в сжатых газах протяженных лазерных импульсов произвольного временного профиля путем согласованной подфокусировки пучка накачки в среде взаимодействия. Впервые экспериментально продемонстрирована возможность энергетического масштабирования систем неодимовый лазер-ВРМБ-компрессор до уровня энергий 750 Дж по накачке.
4.Предложены, экспериментально обоснованы и реализованы методы измерения коэффициента нелинейности показателя преломления (и*), удельного коэффициента усиления при ВРМБ (#) и порогов разрушения поверхности оптических элементов. Определены указанные характеристики для ряда лазерных стекол, включая новое фосфатное КМ-стекло КГСС 0180. Обнаружено, что порог разрушения задней поверхности стекла КГСС 0180, приведенный к плотности энергии пучка за образцом, практически одинаков для падения излучения в состоянии р-поляризации под углом Брюстера и по нормали на эту поверхность образца. Установлены оптимальные условия облучения лазерных стекол для
9
выявления микровключений платины.
5.Создана искусственная оптическая трасса с реальной длиной 700м и моделируемой дистанцией 70км. Экспериментально установлена возможность повышения эффективности энергообмена излучением между приемо-передающими устройствами за счет
дифракционных эффектов при использовании алгоритма ОВФ-самонаведсния в условиях апертурных ограничений. Предложена и реализована схема ОВФ-устройства,
обеспечивающая перефокусировку и коррекцию пучка, искаженного неоднородным слоем на трассе.
6.Разработана методика и выполнены натурные эксперименты по исследованию распространения лазерных пучков различных длин волн (0,53 мкм, 1,06 мкм, 10,6 мкм) в струе турбореактивного авиадвигателя. Обнаружены особенности воздействия струи на лазерные пучки: угловая расходимость пучков с А = 0.53 мкм вдвое превосходит расходимость пучков с А = 1.06 мкм, имеет место азимутальная асимметрия угловых спектров и блужданий пучка, в определенных условиях существует заметная вероятность прохождения сквозь струю импульсов излучения, в которых пучок сохраняет высокую угловую направленность. Путем сравнения экспериментальных и расчетно-теоретических результатов установлен функциональный вид пространственного спектра флуктуаций показателя преломления в турбулентной струе авиадвигателя.
7. Сформулирован теоретический подход и разработана численная математическая модель, корректно описывающая наблюдаемые возмущения характеристик лазерных пучков струей турбореактивного двигателя. Получено соответствие результатов имитационных (численных) экспериментов, выполненных на основе модели со статистически однородными в поперечных координатах случайными фазовыми экранами, и данных натурных экспериментов. Выполненные на основе развитых представлений о характере турбулентных возмущений оценки усредненной интенсивности излучения в лазерных пучках различных длин волн показати, что на больших дистанциях распространения за струей максимальная осевая интенсивность реализуется при длинах волн излучения более 2 мкм, причем положение максимума на шкале длин волн зависит от диаметра пучка.
Основные положении, выносимые на защиту .
1. Принципы построения систем ОВФ многокаскадных высокоэнергетических лазеров на Ш-стекле на основе использования двухкаскадных ВРМБ зеркал в комплексе со схемами формирования пучка с заданным распределением интенсивности на входе ВРМБ-генератора. Метод реализации устойчивого режима временной компрессии при ВРМБ в сжатых газах лазерных импульсов произвольного временного профиля путем формирования согласованной пространственной конфигурации пучка накачки в ВРМБ-усилителе системы
10
компрессии.
2.Результаты исследований высокоэнергетичных многокаскадных лазеров на N(1-стекле:
-в экспериментах на лазере с системой ОВФ и энергией излучения на выходе ~ 450 Дж в импульсе длительностью 25 не впервые достигнута концентрация энергии излучения 60% от теоретического предела в дифракционном угловом растворе фа = 3-10'5рад и осевая яркость излучения -8-Ю1 Вт/см2стер;
-в экспериментах на лазере с энергией излучения 750 Дж при накачке многокаскадного ВРМБ-комирессора на сжатых газах достигнуто сокращение длительности исходною 70-наносекундного импульса до 2 не при КПД конверсии энергии в короткий импульс 50-60%.
3. Новые методы определения характеристик стекол, ограничивающих мощность излучения: коэффициента нелинейности показателя преломления «2, коэффициента усиления при ВРМБ излучения лучевой прочности поверхности. Результаты измерений порога разрушения поверхности и покрытий оптических элементов. Результаты исследований режима облучения объема лазерных стекол для надежного выявления микровключений платины.
Для нового лазерного фосфатного стекла КГСС 0180 установлены:
- коэффициент нелинейности «2 = 0.2±0.15)*10'ь ед. СГСЕ;
- удельный коэффициент усиления ВРМБ £= 1.9±0.3 см/ГВт;
-ВРМБ-сдвиг частоты лазерного излучения с к = 1.054 мкм - у = 14.57 ГГц;
-скорость распросгранения продольных гиперзвуковых колебаний V = 5028 м/с;
-плотность и распределение вероятности для энергетических порогов разрушения поверхности с текла при длительности импульса излучения 4 не.
-энергетический порог разрушения поверхности стекла в зависимости от длительности импульса г=16- т"2 Дж/см2 в диапазоне г = 1*5-20 не;
4. Методика расчета оптических систем, моделирующих протяженные оптические трассы. Искусственная оптическая трасса с реальной длиной 700м и моделируемой дистанцией 70км. Результаты экспериментальных исследований применения алгоритма ОВФ-самонаведения излучения, в которых показана возможность повышения эффективности энергообмена излучением между удаленными приемо-передающими устройствами путем использования апертурных дифракционных эффектов и реализована схема ОВФ-устройства, обеспечивающая перефокусировку и коррекцию пучка, искаженного неоднородным слоем на трассе.
5. Методика, результаты натурных и расчетно-теоретических исследований распространения лазерных пучков в струе турбореактивною авиадвигателя. Угловой размер пучков с X = 0,53 мкм, возмущенных струей вблизи среза сопла, вдвое превосходит угловой размер пучков с л.
11
= 1,06 мкм, причем угловые характеристики излучения имеют азимутальную асимметрию. Установлено, что в этой зоне пространственный спектр флуктуаций показателя преломления представляет собой аддитивную композицию анизотропной в области внешних масштабов турбулентности спектральной функции Кармана и дополнительной многомасштабной функции, усиливающей вклад высоких пространственных частот в диапазоне ц > 103 м'!. Обнаружено, что даже в условиях сильных возмущений пучка на выходе из струи наблюдаются отдельные импульсы с высокой угловой концентрацией излучения, статистика появления которых подчиняется закону Пуассона.
6. Численная математическая модель распространения лазерного пучка в струе турбореактивного авиадвигателя и результаты имитационных экспериментов на сс основе, которые показали адекватность модели и принципиальную возможность представления приосевой области струи как статистически локально-однородной среды, анизотропной в области внешних масштабов турбулентности.
Практическая значимость работы.
Разработанные и экспериментально реализованные методы компенсации искажений лазерных пучков в многокаскадных системах на Кс1-стекле и методы повышения мощности излучения путем ВРМБ-компрессии показывают пути построения высокоэнергетических лазеров с предельно высокой направленностью и яркостью излучения. Предложешше в работе методы измерения нелинейных характеристик (запатентованы в РФ) и лучевой прочности стекол реализованы в едином комплексе, позволяющем оперативно определять основные критические характеристик стекол, ограничивающие мощность и энергию излучения создаваемых лазерных систем и существенно влияющие на выбор схемных и технических решений. Результаты измерений указанных характеристик для нового фосфатггого Мб-стскла КГСС 0180 позволяют обоснованно проводить расчеты допустимого уровня лучевых нагрузок на элементы лазерного канала, выбирать оптимальные схемные решения и архитектуру построения высокоэнергетичных лазеров.
Результаты исследований передачи энергии излучения на протяженных трассах с применением ОВФ позволяют проводить оценки предельных возможностей и оптимизировать процесс транспортировки излучения в условиях сильных ограничений приемо-передаюгдих апертур. Созданная в НИИКИ ОЭП искусственная оптическая трасса в составе уникального лазерного стенда “ЛАС” позволяет проводить экспериментальные исследования и отработку разрабатываемых на базе лазерных средств макетов систем локации и распознавания удаленных объектов в условиях, близких к натурным.
Результаты экспериментальных исследований и созданная численная модель распространения лазерных пучков в экстремально-турбулентной струе авиадвигателя
12
позволяют обоснованно прогнозировать структуру излучения бортовой лазерной аппаратуры, решающей задачи безопасности, управления полетами и т.п. Помимо этого полученные результаты уточняют представления о структуре турбулентности в такой струе.
Исследования осуществлялись в рамках тематик НИР, выполняемых в НИИКИ ОЭП по заказам Министерства промышленности и энергетики РФ, Российского агентства по атомной энергии, Министерства обороны, а также по проекту МНТЦ №108.
Апробация работы и публикации
Основные результаты дисссргации докладывались на всесоюзных и международных конференциях ‘‘Оптика лазеров” (Ленинград - 1984; 1987; 1990; С.-Петербург - 2003; 2006), “Solid state lasers for applications to 1CF” (Париж-1996; Монтерей, США-1998), ECLIM (Прага - 2000), «Оптика атмосферы и океана. Физика атмосферы» (Иркутск-2001; Томск- 2002; 2004), «Лазеры, Измерения, Информация» (С.-Петербург- 2003, 2006, 2007), “Photonics West” (Сан-Хосс-2000), “Remote Sensing” (Барсслона-2000), «Прикладная Оптика» (Ленинград-1987, С.Г1стербург-1998, 2000), а также на научных семинарах института лазерной физики НПК “ГОИ им. С.И. Вавилова”.
Материал диссертации изложен в 55 научных публикациях в отечественных и зарубежных изданиях, в том числе в 38 статьях и 2 патентах на изобретения.
Личный вклад автора заключается в постановке и теоретическом обосновании исследований по применению ОВФ для компенсации искажений лазерных пучков многокаскадных систем на Nd-стскле и транспортировки энергии излучения на протяженных трассах, по поиску оптимальных условий ВРМБ-компрессии импульсов излучения и методов определения нелинейных характеристик стекол, но распространению лазерных пучков в турбулентной струе авиадвигателя. Автором предложены основные пути решения задач, поставленных в работе, разработана методология экспериментальных исследований. Эксперименты проводились при его непосредственном участии и ведущей роли на стадии анализа и интерпретации получаемых результатов. Все теоретические исследования, включенные в работу, выполнены лично автором. При непосредственном участии автора создано использованное в работе базовое оборудование стенда “ЛАС”.
Экспериментальные исследования осуществлялись при творческом участии сотрудников НИИКИ ОЭП Алексеева В.Н., Дмитриева Д.И., Голубева В.В., Ивановой И.В., Евченко Ю.Н., Пасункина В.Н., Котылева В.Н., Либера В.И. Разработка численной математической модели распространения лазерных пучков в струе авиадвигателя, цикл имитационных экспериментов и верификация модели осуществлялись совместно с аспирантом И.В. Ивановой, работавшей иод научным руководством автора. На начальной стадии принимали участие Борисова Н.Ф., Шереметьева Т.А., Филиппов Г.Н. Автор
13
благодарен за помощь при постановке задач Маку Л.А., Старикову А.Д. и Муратову В.Р., а также Чарухчсву A.B. - за помощь в реализации методов измерений характеристик лазерных стекол.
Объем (I структура диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка цитируемой литературы. Объем 294 стр.: включает 121 рисунок, 17 таблиц, список литературы из 299 наименований, 1 приложение.
Краткое содержание работы
Во введении обосновывается актуальность работы, кратко изложены проблемы и основные задачи исследований, сформулированы цель работы и защищаемые положения, изложена структура диссертации.
Первая глава носит обзорный характер, в ней определены не решенные на момент постановки работы проблемы и сформулированы задачи исследований.
Во второй главе приводятся результаты исследований применения ВРМБ излучения в мощных лазерах на Nd-стекле с целью достижения путем ОВФ дифракционного качества пучка с энергией в импульсе на уровне 500 Дж и осуществления временной компрессии импульсов излучения.
В разделах 2.1 и 2.2 представлены оптическая схема макета многокаскадной лазерной системы на Nd-стекле с обращением волнового фронта, основные измерительные методики, и результаты первого этапа исследований, выявившие основные проблемы решаемой задачи. Было установлено, что традиционные методы ОВФ излучения в ВРМБ-зеркале не позволяют достичь высокого качества излучения на выходе мощного многокаскадного усилителя с апертурой 85 мм как по уровню энергии, так и по угловой расходимости.
В разделе 2.3 представлены результаты исследований ОВФ зеркал типа ВРМБ усилитель-ВРМБ генератор, целью которых являлся поиск возможностей расширения энергетического диапазона без потери качества ОВФ и разработка методов расчета энергетических характеристик многокаскадного двухпроходового усилителя с такими ОВФ зеркалами. Сравнительный анализ экспериментальных и расчетных данных позволил модифицировать найденные из теоретической модели решения таким образом, чтобы они учитывали наблюдаемое в эксперименте снижение эффективности преобразования излучения накачки в стоксову волну в ВРМБ усилителе при высоких уровнях энергии накачки. Экспериментальные исследования зеркал типа ВРМБ усилитель-ВРМБ генератор на стекле ГЛС - 22 показали возможность существенного повышения эффективности работы ОВФ зеркала путем изменении температуры нелинейной среды усилителя относительно температуры среды генератора.
В разделе 2.4 представлены результаты экспериментальных исследований условий
14
коррекции астигматических искажений лазерных пучков ВРМБ зеркалами. Показано, что качество коррекции астигматических искажений зависит от способа формирования пучка в оптическом тракте усилителя до входа в ОВФ зеркало. Установлено, что остаточные искажения в обращенном пучке отсутствуют, если сигнальный пучок сформирован таким образом, чтобы на входе в ВРМБ зеркало распределение интенсивности по его сечению было гладким: равномерным либо монотонно спадающим к периферии. Сделан вывод, что при проектировании многокаскадных усилительных систем с ОВФ, имеющих протяженные оптические тракты, необходимо использовать технику формирования заданного профиля интенсивности пучка на входе ВРМБ генератора.
Раздел 2.5 представляет результаты экспериментальных исследований
многокаскадной лазерной системы, в схеме которой уже учтены выработанные в процессе исследований требования. ОВФ зеркало, как элемент многокаскадного лазера, было заменено на систему ОВФ, включающую в себя двухкаскадное ВРМБ зеркало и всю цепь оптических ретрансляторов лазера, заданным образом формирующую пучок на входе обращающего устройства. В результате удалось достичь энергии на выходе мощного усилителя ~ 450 Дж в импульсе излучения длительностью ~ 25 не при практически дифракционном качестве лазерного пучка.
Раздел 2.6 посвящен еще одному практически важному аспекту применения ВРМБ в высокоэнергетических лазерных системах: повышению мощности излучения путем временной компрессии импульсов. Многокаскадный лазер на Ш-стекле формировал импульс накачки с энергией до 750 Дж в импульсе длительностью ~ 70 не. ВРМБ-компрессор включал в себя ВРМБ генератор короткого стоксова импульса, промежутошіьій ВРМБ усилитель и основной ВРМБ усилитель на сжатых инертных газах. Уже в первых экспериментах проявила себя проблема деформации импульса накачки в мощном лазерном усилителе, работающем в режиме насыщения. На практике в мощном лазере на стекле невозможно сформировать без существенных потерь энергии форму импульса излучения с линсйио-иарастающей мощностью, оптимальную для компрессора с фокусировкой накачки. Целевой анализ ситуации, когда импульс имеет другую, реальную форму, позволил найти более общее решение. Необходимо отказаться от простой фокусировки пучка накачки и осуществить пространственно-временное согласование плотностей мощности взаимодействующих импульсов излучения, исходя из фактического временного профиля накачки. Эти результаты были использованы при разработке и исследования системы компрессии высокоэнергетических импульсов. На выходе системы компрессии при энергии 70-наносекундного импульса накачки ~ 750 Дж были получены импульсы длительностью ~2 не при эффективности конверсии накачки в короткий стоксов импульс 50-60 %.
15
В главе 3 представлены новые методы измерения характеристик активной среды лазера, ограничивающих мощность и энергию излучения.
В разделе 3.1 описана установка, включающая лазерную систему, формирующую пучок с требуемыми параметрами излучения, и измерительный комплекс. Разработанная установка позволяет при небольших оперативных изменениях схемы, проводить измерения коэффициента нелинейности показателя преломления, коэффициента усиления при ВРМБ и лучевой прочности поверхности оптических элементов.
В разделе 3.2 представлен новый метод измерения коэффициента нелинейности пг, основанный на регистрации и нелинейных амплитудных искажений пучка, прошедшего образец исследуемой среды. Метод основан на измерении зависимости уровня осевой плотности энергии возмущенного пучка е©’ от осевой плотности энергии пучка во на входе в образец стекла и сравнении результатов с теоретической зависимостью во’(^о), полученной путем расчета интеграла Френеля с учетом нелинейного набега фазы в лазерном пучке, прошедшем образец. При расчете подбирается значение «2, наилучшим образом отвечающее экспериментальным данным после соответствующей калибровки схемы измерений. Было получено для КГСС 0180 п2 = (1.2 ± 0.2)10'13, КУ2 п2 = (0.95 ± 0.2)10'13, К8 п2 = (1.4 ± 0.2)-10"13, ГЛС22 п2= (2.0 ± 0.15)10“13 ед. СГСЭ.
В разделе 3.3 представлены результаты исследований характеристик, определяющих условия возбуждения ВРМБ излучения в стеклах, и новый метод измерения коэффициента усиления g. В его основе лежит измерение ВРМБ усиления в исследуемой среде при неоднородном распределении интенсивности излучения но сечению как стоксова пучка, так и мощной накачки. В этом случае оказывается возможным учесть насыщение усиления и определить более точное значение величины g. Были получены результаты для стекол КГСС 0180 £ = 1.9±0.3 см/ГВт, К8 £ = 1.3±0.2 см/ГВт, КУ2 g =1.5±0.2 см/ГВт, ГЛС-22 g = 1.4±0.2 см/ГВт. Представлены результаты измерения методом гегеродинирования ВРМБ-сдвига частоты лазерного излучения с длиной волны X = 1.054 мкм в стекле КГСС 0180. Полученное значение сдвига у,«^ = 14.57 ГГц позволило определить скорость распространения продольных гиперзвуковых колебаний в стекле Укгсс = 5028 м/с и оценить время затухания гиперзвука ~ 4 не.
В разделе 3.4 представлен новый “экспресс”-мсгод определения энергетических порогов разрушения элементов мощных лазеров. Согласно методу после облучения выбранного места образца по микрофото1рафии определяют диаметр кругового контура, охватывающего зону разрушений, и по измеренному в той же вспышке распределению энергии излучения на образце определяют уровень плотности энергии, отвечающий полученному коптуру. Каждая вспышка в этом случае является результативной в отличие от
16
традиционного “бинарного” метода, когда в выполненной серии облучений ищут вспышку, давшую разрушение при минимальном уровне энергии, соседнюю по энергии - без разрушения, и усредняют эти значения. В работе осуществлено обоснование метода путем сопоставления результатов, полученных предложенным и “бинарным” методом, исследованы зависимости результатов от превышений осевой плотности энергии тестирующего пучка над уровнем порога разрушения.
По результатам обработки более 800 вспышек при длительности импульса ~ 4 не для стекла КГСС 0180 получена плотность и распределение вероятности энергетических порогов разрушений. Измерены также зависимости порога от размера пятна облучения и от длительности импульса: скгсс = 16- т1/2 Дж/см2 и ек$ = 18- т*/2 Дж/см2 в диапазоне г = 1.5-20 наносекунд.
Важные результаты были получены при облучении образцов стекла КГСС 0180, ориентированных под углом Брюстера к оси пучка, т.е. в положении активных элементов в дисковых усилителях. Оказалось, что порог разрушения стекла, приведенный к плотности энергии пучка за образцом, оказывается одинаковым для падения излучения на заднюю поверхность образца под углом Брюстера и по нормали.
Продемонстрировано, что знание всего комплекса измеренных “критических” характеристик для выбранного лазерного стекла позволяет оценить предельно допустимый уровень мощности и энергии излучения на выходе усилительного каскада и определить предпочтительный диапазон длительностей импульса излучения.
В разделе 3.5 описана установка, созданная для текущего контроля плавок стекла КГСС 0180 на наличие микровключений платины. Для надежного определения в отливках лазерного стекла концентрации микровключений найдены оптимальные режимы облучения объема образца при длительности импульса - 7 не: плотность энергии пучка е - 10 Дж/см2 и кратность облучения т ~ 7.
В разделе 4.1 четвертой главы представлены результаты анализа процесса распространения лазерных пучков на трассах с учетом преобразования поля излучения оптическими системами, выполненного с целью определения возможностей физического моделирования процессов энергообмена излучением между удаленными присмо-передающими устройствами. Определены критерии подобия экспериментальных ситуаций (равенство чисел Френеля апертур и учет масштабного фактора), а также принципы построения и расчета оптических систем моделирующих протяженные трассы. Результаты легли в основу работы по созданию искусственной оптической трассы в НИИКИ ОЭП с моделируемой протяженностью 70 километров.
В разделах 4.2, 4.3 представлены результаты экспериментальных исследований
17
эффективности передачи энергии пучка методом ОВФ-самонаведения и исследований системы ОВФ излучения с перефокусировкой излучения. Найдены условия компенсации искажений при перефокусировке обращенного излучения на трассе с искажающим неоднородным слоем, предложена и экспериментально промакетирована схема перефокусирующего пучок ОВФ-системы.
В разделе 4.4 представлены результаты исследований распространения лазерных пучков в воздушных потоках с высоким уровнем турбулентности с использованием оборудования искусственной трассы. Цель исследований - отработка экспериментальных методик, выбор измерительных схем и аппаратуры для проведения полномасштабных натурных экспериментов, отличающихся сложностью организации и постановки.
В главе 5 представлены результаты распространения лазерных пучков в турбулентной струе авиадвигателя. Разделы 5.1 и 5.2 освещают методологические вопросы постановки и проведения натурных экспериментов, выбора методов математического моделирования процесса распространения излучения в таких необычных условиях экстремально высоких турбулентных возмущений среды. Для численного моделирования был выбран наиболее перспективный на сегодня метод статистических испытаний, в котором многократно рассчитываются единичные реализации амплитуды поля возмущенного лазерного пучка. Этот метод дает наиболее полное представление об отклике пучка на воздействие струи. И в соответствии с таким выбором метода моделирования была выбрана методика измерений в эксперименте, в определенной мере уже отработанная в предварительных исследованиях на искусственной трассе. А именно, предполагалось регистрировать в цифровом виде “мгновенные” изображения искаженного пучка, аналогичные получаемым единичным реализациям в расчетах. Помимо возможности совместного анализа и сравнения по наибольшему числу параметров данных численного и натурного экспериментов, это позволяет применить и единые цифровые методики обработки изображений, что повышает надежность получаемых результатов.
В разделе 5.3 представлены результаты натурных экспериментов распространению лазерных пучков с длинами волн 0,53, 1,06 и 10,6 мхм и диаметром 10 мм и 30 мм, при различных геометриях пересечения пучком струи авиадвигателя. Анализ полученных результатов показал, что при пересечении лазерными пучками турбулентной струи вблизи среза сопла угловой размер возмущенного пучка с X - 0,53 мкм примерно вдвое превосходит угловой размер пучков с X = 1,06 мкм и наблюдается азимутальная асимметрия угловых распределений интенсивности и блужданий центроидов пучков. Такой результат не отвечает прогнозам на основе стандартных моделей турбулентного спектра флуктуаций показателя преломления. На основе сравнения экспериментальных и расчетно-теоретических
18
результатов установлен функциональный вид пространственною спектра флукгуаций показателя преломления в турбулентной струе авиадвигателя вблизи среза сопла.
В разделах 5.4 и 5.5 обоснован выбор методов и алгоритмов моделирования распространения лазерных пучков в турбулентной струе, параметров численной модели, представлены результаты сравнения натурного и численного экспериментов. Модель построена на основе метода статистических испытаний и использует схему построения, в которой слой турбулентной среды моделируется с помощью набора тонких фазовых экранов, за которым лазерный пучок распространяется в свободном пространстве на заданное расстояние. Базовыми для модели являются следующие моменты:
-выбор для построения численной модели найденного в экспериментах пространственного спектра неоднородностей;
-передача широкого спектрального диапазона пространственных частот (~ 1-104 м'1) фазового экрана осуществляется раздельным моделированием высоких и низких пространственных частот спектра;
-распространение пучка за фазовым экраном на большие дистанции моделируются методом преобразования Гюйгенса-Френеля.
Сравнение результатов численного и натурного экспериментов в целях верификации модели производилось по таким параметрам излучения, как угловой спектр, дисперсия блужданий центроида пучка, флуктуационные характеристики. Результаты сравнения показали хорошее соответствие параметров лазерного пучка для всех рассмотренных экспериментальных ситуаций, включая распространение вдоль турбулентной струи авиадвигателя.
В последнем разделе главы (5.6) обсуждаются ограничения на область применения разработанной модели распространения лазерных пучков в струе авиадвигателя, а также приводятся примеры применения результатов исследований для оценки энергетических характеристик возмущенных лазерных пучков различных длин волн.
В приложении к диссертации теоретически рассмотрен процесс формирования в неоднородной усиливающей среде частично-когерентных статистически неизотропных лазерных пучков. Этот материал использован при интерпретации результатов экспериментальных исследований условий компенсации астигматических искажений пучков ВРМБ зеркалами.
19
Глава 1. Повышение направленности и мощности излучения лазеров методами ОВФ и компрессии импульсов при ВРМБ, измерение нелинейных характеристик и .тучевой прочности оптических сред, распространение пучков на ту рбулентных трассах.
(Обзор литературы)
В разделе рассмотрены уже созданные к моменту постановки работы предпосылки для решения задач достижения предельной направленности и повышения мощности излучения многокаскадных лазеров на Ш-стекле, определения критических характеристик оптических материалов, ограничивающих мощность и энергию излучения таких лазеров, повышения эффективности транспортировки излучения на протяженных трассах и прогнозирования пространственных характеристик искаженных экстремально-турбулентной средой лазерных пучков.
1.1. Обращение волнового фронта излучения при вынужденном рассеянии
Мандельштама-Брнллюэна
Практически сразу после открытия явления обращения волнового фронта при вынужденном рассеянии лазерного излучения [2], рядом исследователей [3,4] было предложено его применение в лазерных системах с целью компенсации искажений волнового фронта пучка, а также в системах, осуществляющих направленную передачу энергии излучения [5-10].
К моменту постановки настоящей работы исследователями, работающими в данном направлении, было выполнено значительное число теоретических и экспериментальных работ, показавших не только возможности эффекта ОВФ излучения, но и вскрывших определенные проблемы на пути решения задачи формирования высокоэнергетичных дифракционно-ограниченных лазерных пучков. В данном разделе рассматриваются и анализируются результаты выполненных исследований.
Быстрому распространению метода ОВФ при ВРМБ способствовал широкий выбор нелинейных сред, которым присущи необходимые качества для осуществления ОВФ излучения лазеров видимого и ближнего инфракрасного диапазона спектра: малая инерционность процесса установления стационарного режима рассеяния, низкий порог возбуждения ВРМБ (ниже порогов других нелинейных эффектов - самофокусировки, оптического пробоя и др.), малая величина сдвига частоты рассеянной волны. Свою роль сыграла и относительная простота схемных решений ВРМБ зеркал по сравнению с ОВФ зеркалами, основанными на других принципах.
В основе процесса ВРМБ лежит электрострикционный механизм возбуждения
20
гиперзвука в нелинейной среде за счет интерференции спонтанно рассеянного и возбуждающего излучения и последующее рассеяние света на нем [11]. В свою очередь, в основе физического механизма обращения волнового фронта при ВРМБ лежат следующие основные свойства вынужденного рассеяния [2,12-14]: большое общее усиление рассеянной (стоксовой) волны и связь локального коэффициента усиления с локальной интенсивностью возбуждающего поля. В связи с этим, с одной стороны, наибольшее усиление в нелинейной среде испытывает обращенная компонента стоксовой волны, локальные максимумы которой всюду в пространстве совпадают с максимумами поля волны накачки, а с другой - в силу большого общего усиления - механизм дискриминации необращенных компонент оказывается очень эффективным.
В большинстве случаев исследования по ОВФ излучения, как при рассеянии в светопроводе, содержащем нелинейную среду, так и при фокусировке излучения в среду, проводились с использованием волны накачки с сильно неоднородным распределением интенсивности по сечению пучка. Как показано в работах [12-20], это является одним из главных условий реализации высокого качества ОВФ при ВРМБ излучения. Существующие ограничения на величину угловой расходимости накачки снизу обусловлены необходимостью исключения накопления искажений обращенной стоксовой компоненты излучения при рассеянии сфокусированного пучка (0„ >>5'0д), а сверху (0Н < 600 Од )-выполнением условий энергетической дискриминации некоррелированного рассеянного света [16-21].
Кратко перечислим другие виды ограничений на характеристики волны накачки и активной среды ВРМБ зеркала:
- энергия пучка накачки должна превышать пороговое значение возбуждения ВРМБ;
- накачка должна иметь однородное по поперечному сечению состояние поляризации, поскольку качество ОВФ снижается при деполяризации излучения [22,23];
- нелинейная среда должна быть оптически прозрачна во избежание возбуждения конкурирующих процессов теплового происхождения [24,25], а длина сс должна превышать длину погруженной в среду фокальной перетяжки пучка накачки [21,26];
- время релаксации гиперзвука в нелинейной среде должно быть существенно меньше как времени пробега звука на масштабе продольной корреляции излучения, так и характерного времени изменения формы волнового фронта пучка накачки [21,27,28].
Видно, и это следует из основополагающих работ по теории ОВФ при ВРМБ, что одним из наиболее важных условий, обеспечивающих достижение результата, является формирование требуемой пространственно-неоднородной структуры обращаемого пучка. Однако такие пучки нетипичны для реальных лазерных систем: в них формируются,
21
как правило, достаточно регулярные пучки, т.е. не обладающие сложной развитой структурой фазовых искажений, а имеющие крупномасштабные, относительно гладкие аберрации. В связи с этим в состав ОВФ устройства обычно включаются дополнительные фазоискажающие пластинки, как и в первой экспериментальной работе но исследованию ОВФ излучения при ВРМБ [2]. Однако использование таких пластинок в мощных лазерных системах может привести к нежелательным последствиям. Так, их присутствие не только в несколько раз снижает коэффициент отражения ОВФ зеркала (в два - три раза [29,30]), но и приводит к появлению в обращенном пучке остаточной спекл-структуры [31], обусловленной неполной компенсацией фазовых неоднородностей искажающей пластинки и интерференцией обращенной и необращенной компонент [32]. При усилении же пучков с хаотическими неоднородностями распределения интенсивности возможно существенное снижение энергетической эффективности мощных усилителей, поскольку допустимая плотность энергии усиливаемого пучка будет ограничена порогом развития мелкомасштабной самофокусировки [33].
В этой связи большой практический интерес представляют относительно немногочисленные исследования ОВФ при ВРМБ регулярных дифракционно- ограниченных или слабоискаженных пучков при непосредственной их фокусировке в нелинейную среду. Что касается одномодовых лучков с плоским или чисто сферическим волновым фронтом, то на момент постановки нашей работы возможность их обращения при ВРМБ имела как теоретическое обоснование [20,34-36], так и экспериментальное подтверждение [26,37].
В работе [34] формирование рассеянной волны в поле одномодового пучка накачки с плоским волновым фронтом описывается как процесс когерентизации затравочного некоррелированного стоксова излучения при распространении в активном волноводе, наведенном полем накачки в нелинейной среде, вследствие сильной дискриминации мод данного волновода относительно основной моды. В [35] проведено аналогичное рассмотрение условий когерентного рассеяния сфокусированного пучка накачки или, иными словами, условий формирования рассеянного пучка, воспроизводящего накачку при попутном рассеянии или обращенного при обратном. Выполненные в [26] исследования обратного рассеяния при ВРМБ излучения показали соответствие теоретических представлений экспериментально полученным результатам. Режим когерентного рассеяния наблюдался при погруженной каустике в нелинейную среду, а в ином случае дискриминационные свойства наведенного накачкой активного волновода снижались и рассеянный свет терял пространственную когерентность.
В силу трудностей теоретического анализа случай ОВФ слабоискаженных
22
регулярных пучков при ВРМБ исследовался, в основном, экспериментально. В работе [38] было экспериментально показано, что в схемах ВРМБ зеркал с фокусировкой излучения в нелинейную среду (ССІ4 ) возможен плавный переход от нерегулярных пучков (0„/ 0д < 100) к регулярным с достаточно высоким качеством ОВФ, зависящим, в то же время, от вида аберраций. Было отмечено, что первый вид аберрации, которая перестает компенсироваться при повышении энергии накачки над пороговым значением, является астигматизм.
В работах [30,31, 39], опубликованных ко времени постановки нашей работы, уже проводились экспериментальные исследования возможностей компенсации наиболее типичных для практики астигматических искажений пучков при их обращении в ВРМБ зеркалах с фокусировкой излучения. При сравнении результатов данных работ в отношении коррекции астигматизма можно отмстить их противоречивый характер. Так, в работах [31,39] было показано, что астигматические искажения пучка накачки при его непосредственной фокусировке в кювету с нелинейной средой, как правило, корректируются не полностью. Обращенный пучок в дальней зоне имеет эллиптическую форму, причем всегда с той же ориентацией осей, что и форма сечения пучка накачки в первом астигматическом фокусе, погруженном в нелинейную среду. В то же время в работе [30] даже в условиях очень сильных астигматических искажений пучка накачки, вносимых заклоном фокусирующей линзы ВРМБ зеркала вплоть до 40°, подобных искажений обращенного пучка не наблюдалось.
Анатиз работ [30,31], в которых достаточно подробно описаны экспериментальные условия проведения исследований, позволяет предположить наличие взаимосвязи между различием условий формирования пучка накачки ВРМБ зеркала и получаемыми результатами в части коррекции астигматизма. В силу этого, а также практической важности определения условий коррекции астигматических искажений пучка, наиболее характерных для оптического тракта многокаскадных лазерных систем, было решено провести детальные исследования возможностей компенсации астигматизма ВРМБ зеркалами с фокусировкой излучения накачки.
1.2. Применение ОВФ излучения в лазерных системах на №-стекле
Одним из первых практических приложений эффекта обращения волнового фронта излучения явилось использование ОВФ зеркал в лазерных усилительных системах для компенсации фазовых искажений, приобретаемых пучком в оптическом тракте. Суть метода компенсации аберраций тракта усилителя вытекает из самой природы обращенной
23
волны [2,3]: предварительно сформированный маломощный пучок с плоским волновым фронтом вводится со стороны выхода в мощный двухпроходовый (или с четным числом проходов) усилитель, проходит его тракт, приобретая фазовые искажения, затем отражается ОВФ зеркалом и проходит по усилителю в обратном направлении, компенсируя приобретенные искажения волнового фронта. В идеальном случае на выходе получаем многократно усиленный пучок с тем же волновым фронтом, что был сформирован предварительно у маломощного пучка до прохода но усилителю.
На практике ОВФ - компенсация фазовых искажений усиливаемого пучка впервые была осуществлена в двухпроходовом однокаскадном усилителе на рубине в работе [3]. Была экспериментально продемонстрирована возможность компенсации искажений пучка в усиливающей среде с использованием ВРМБ зеркала. Искаженный пучок на входе ОВФ зеркала имел расходимость, 20-кратно превышающую дифракционный предел, а на выходе усилителя расходимость усиленного пучка была близка к дифракционной (6-1.5-Ю^рад). Эффекг наблюдался и при работе усилителя в линейном режиме и в режиме насыщения.
В лазерной системе на Ыб-стскле обращение волнового фронта было впервые применено в работе [37]. Однокаскадный усилитель не вносил заметных фазовых искажений в усиливаемый пучок. В связи с этим первоначально перед ВРМБ зеркалом (фокусировка пучка в кювету с эфиром) размещалась фазовая пластинка. В этом случае пучок на выходе имел размер вдвое превышавший размер входного. При отсутствии пластинки и энергии пучка накачки ВРМБ зеркала около 0.2 Дж (длительность импульса -30 не) пучок на выходе также был существенно уширен по отношению к входному и окружен спекл-структурой. В случае снижения энергии пучка накачки как при наличии фазовой пластинки, гак и без нее усиленный пучок воспроизводил размер пучка на входе. Авторы [37] предположили, что на качество ОВФ влияет самофокусировка излучения в нелинейной среде ВРМБ зеркала при высоких уровнях накачки. Важно отметить, что в работе была экспериментально показана возможность обращения пучка с гладким волновым фронтом без применения фазовых пластин на входе в кювету с нелинейной средой.
С точки зрения возможностей создания высокоэнергетического лазера с дифракционной расходимостью излучения перспективными являются системы на N(1-стекле. В достаточной мере огработана промышленная технология изготовления лазерных активных высокооднородных элементов большого объема, среда обеспечивает высокий уровень запасенной энергии возбуждения [40]. Однако уже в ранних работах [33,38,41-43] было отмечено и экспериментально продемонстрировано, что многокомпонентным мощным системам на Ш-стекле с ОВФ излучения присущ ряд свойств, затрудняющих достижение дифракционпого предела угловой расходимости пучка.
24
Активная среда мощного усилителя может вносить в подлежащую обращению волну искажения, которые не компенсируются на обратном проходе по его тракту. К ним относятся амплитудные искажения, обусловленные как неравномерностью усиления по поперечному сечению активных элементов [41-44], так и насыщением усиления [38,41], а также поляризационные искажения, вызванные наведенным или естественным двулучепреломлением в активных элементах усилителя [22,23,38,45].
В [38] двухкаскадный двухпроходовый усилитель на Ктс1-стеклс с ВРМБ зеркалами работал в режиме насыщения, поскольку при энергии на выходе в импульсе ~ 3 Дж (ти = 25 не) диаметр пучка в тракте составлял лишь -3 мм. Было показано, что в режиме насыщения при несогласованности поперечных сечений пучка и усиливающей среды, а также наличии необращенной компоненты в отраженном от ВРМБ зеркала излучении на уровне более 1 %, на выходе усилителя доля последней заметно возрастала за счет усиления на участках среды с нсобедненной инверсией.
Влияние амплитудных искажений, обусловленных неравномерностью накачки активных элементов, было показано в исследованиях трех каскадного двухпроходового усилителя на базе стандартных усилительных модулей типа ГОС - 1001 [43]. В обычных условиях на диаграмме направленности обращенного и усиленного пучка появлялись побочные дифракционные максимумы. Их можно было избежать путем увеличения равномерности усиления в среднем по длине усилителя - путем разворота каждого из четырехламповых каскадов на 30° относительно друг друга. Ухудшение характеристик обращенного пучка в неоднородно усиливающей среде отмечалось также в работах [9,44].
В работах [22,23,38] было продемонстрировано влияние деполяризации на качество усиленного пучка с использованием вносимых в тракт усилителя деполяризующих элементов. Было показано, что качество ОВФ ухудшается как в схемах ВРМБ зеркал со светопроводом, так и с фокусировкой излучения в нелинейную среду. В [43] наблюдалось влияние деполяризации усиленного пучка, вызванной пространственно-неоднородным нагревом активных элементов во время накачки. В этой работе деполяризация устранялась путем выбора интервала между вспышками, обеспечивающего максимально возможную равномерность распределения температуры по сечению стержней. В [23] был предложен и продемонстрирован универсальный способ ОВФ деполяризованного излучения путем преобразования его на входе ВРМБ зеркала в поляризованную волну обратимым образом.
Очевидно, перечисленные факторы должны учитываться уже на стадии проектирования лазерной системы. Так, при создании мощного многокаскадного
усилителя . на Ш-стекле необходимо ориентироваться на современные разработки усилительных модулей, обеспечивающих достаточно высокую равномерность
25
распределения излучения накачки по сечению активного элемента. Эго могут быть дисковые усилительные каскады.
Нужно отметить, что использование ВРМБ зеркал в мощных лазерных системах дает возможность не только скомпенсировать аберрации тракта, но и повысить порог самовозбуждения системы [29,37,65], а также контраст усиливаемого импульса [46,47]. С учетом этого в мощных лазерных системах на N(1 - стекле желательно применение именно таких ОВФ зеркал.
Из результатов цитированных работ видно, что с точки зрения эффективности и практичности наиболее приемлемыми можно было бы считать схемы ВРМБ зеркал с фокусировкой пучка в нелинейную среду' без применения фазовых пластинок. Однако в экспериментах было отмечено [29,31,37,38,46,48-50], что энергетический диапазон работы таких зеркал в случае жидкой или твердой нелинейной среды ограничивается сверху на уровне нескольких десятых джоуля в импульсе. Причиной этого является развитие в нелинейной среде с ростом энергии накачки конкурирующих нелинейных эффектов, таких, как оптический пробой [31,46,48,59], самофокусировка [37], вынужденное температурное рассеяние [59], двухфотоннос поглощение [93]. При этом нужно отметить, что решение проблемы расширения энергетического диапазона работы ВРМБ зеркал наиболее актуально именно при создании высокоэнергетических лазерных систем. Это связано с тем, что эффективность усилителя определяется не только количеством запасенной энергии в активной среде, но и плотностью усиливаемого сигнала: мощный усилитель должен работать в режиме насыщения. Для многокаскадного усилителя на N6-стекпе с поперечным сечением активных элементов в несколько квадратных сантиметров и более это условие определяет энергию импульса излучения на входе ОВФ зеркала на уровне не ниже нескольких джоулей.
К моменту постановки работы, в [51-53] уже был предложен перспективный подход к решению данной проблемы: формирование обращенной стоксовой волны должно происходить в отдельном ВРМБ зеркале - генераторе, а переработка основной части энергии накачки (которая может представлять из себя и несколько пучков) в стоксово излучение может осуществляться в участке нелинейной среды - усилителе обращенного пучка. В эксперименте [51,52] девять сигнальных пучков смешивались в светопроводе ВРМБ усилителя, а в отдельный ВРМБ генератор сквозь тот же светопровод усилителя пропускался специально сформированный опорный пучок. Коэффициент отражения от такого зеркала - смесителя составлял 10-15%, энергия обращенных сигнальных пучков на выходе лазерной усилительной системы составляла 1-1.5Дж в каждом. В работе [52] усиление стоксова пучка осуществлялось в процессе четырех волнового взаимодействия
26
в нелинейной среде усилителя.
Можно однако полагать, что ВРМБ усилитель и ВРМБ генератор могут стоять в одном и том же пучке накачки, отличаясь лишь геометрическими характеристиками зон нелинейного взаимодействия и энергиями взаимодействующих в них пучков. За счет определенной степени свободы в выборе этих характеристик для ВРМБ усилителя и генератора можно ожидать повышения допустимого уровня накачки зеркала с фокусировкой излучения. В связи с этим было решено экспериментально опробовать данный метод на создаваемой мощной лазерной системе, а также исследовать энергетические зависимости стоксова и возбуждающего излучения в двухкаскадных ОВФ зеркалах построенных по схеме ВРМБ усилитель - ВРМБ генератор, расположенных в одном общем пучке накачки.
Исследования подобных зеркал были выполнены также в работах [55-57]. Первые результаты, опубликованные затем в [55], были обнародованы одновременно с результатами наших исследований мощного лазерною усилителя с ОВФ зеркалом типа ВРМБ усилитель-ВРМБ генератор на конференции "Оптика лазеров-83" [54].
Исследование энергетических характеристик таких зеркал предполагалось осуществить и по следующей причине. При проектировании лазерных систем, в особенности крупных, необходимо проводить предварительные расчеты и анализ их энергетических возможностей. Как уже отмечалось, эффективность систем на >М-стекле в значительной мере определяется уровнем плотности энергии усиливаемого сигнала. Хорошо известны и экспериментально подтверждены методы энергетических расчетов однопроходовых многокаскадных усилительных систем на N6 - стекле на основе решения уравнений Франца - Нодвика [58] с использованием эмпирически определяемых значений плотности энергии насыщения усиливаемого пучка [59-63]. В ряде случаев данный метод может быть развит и в отношении расчета энергетических характеристик двухпроходовых усилителей, однако при этом возникает необходимость определения нелинейной зависимости коэффициента отражения ОВФ зеркала от энергии накачки. Для обычных ВРМБ зеркал такая зависимость была найдена в работе [64], однако лишь для небольших превышений сигнала над порогом. В наших же исследованиях должны быть реализованы превышения энергии сигнала над порогом на несколько порядков и, к тому же, в иной - в двухкаскадной схеме ВРМБ зеркала. В связи с этим предполагалось на основе результатов исследований ОВФ зеркал типа ВРМБ усилитель-ВРМБ генератор разработать методику расчета энергетических характеристик многокаскадных двухпроходовых усилителей на фосфатном N6 - стекле с подобными ОВФ зеркалами.
Опыт экспериментальных исследований, выполненных к моменту постановки
27