СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ МЯГКОЙ ДИАФРАГМЫ Российский патент 1999 года по МПК H01S3/10 G02B27/58 

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

Мягкие диафрагмы были предложены для использования в оптическом тракте мощных лазеров в связи с необходимостью аподизации (сглаживания) пространственного распределения интенсивности в лазерных пучках [1]. В отличие от обычных "жестких" апертур (например, отверстие в непрозрачном металлическом экране) мягкие апертуры в ближней (Френелевой) зоне распространения пучка устраняют резкие перепады интенсивности, связанные с дифракцией излучения на краях диафрагм. Этим обусловлено применение мягких апертур, например, в мощных лазерных установках на неодимовом стекле, где их использование в оптическом тракте способствует подавлению самофокусировки излучения и улучшает эффективность съема энергии в активной среде лазера [1, 2, 3].

Известно несколько различных способов создания мягких апертур как с использованием в качестве основы прозрачной диэлектрической пластины (например, фотографические, напыленные металлические или диэлектрические слои переменной толщины, на основе наведенного поглощения и др.), так и без нее (например, зубчатые металлические диафрагмы, ячейки Поккельса и Фарадея с неоднородными электрическим и магнитным полями и др.), см. обзор [4]. Для аподизации световых пучков используются мягкие диафрагмы как с круглой, так и с прямоугольной апертурой [1-4]. Общей характеристикой мягких диафрагм, применяемых для аподизации световых пучков в ближнем УФ, видимом или ближнем ИК-диапазонах длин волн, является наличие в их апертуре с поперечной координатой r рассеивающей, отражающей или поглощающей излучение зоны шириной Δr с результирующим гладким пространственным профилем пропускания диафрагмы T(r), нарастающим от края диафрагмы к ее оси (фиг. 1). При этом для пучка излучения с равномерным пространственным распределением фазы и интенсивности I(r)=I_o=const, падающего на пластину с характерным размером r_o и толщиной l, рис. 1 на расстоянии L от нее 0 < L < L_max ≅ 2Δr r_o/λ в области дифракции Френеля, формируется пространственное распределение интенсивности I(r)=I_o T(r) с гладким (мягким) профилем. В перечне требований, предъявляемых к мягким апертурам для мощных лазерных установок, весьма существенными являются:
- стойкость по отношению к действию мощного лазерного излучения;
- высокий контраст (отношение пропускания в центре T(o) к пропусканию на краях k = T(0)/T(r_o) > 10²);
- простота, низкая стоимость изготовления, надежность в эксплуатации;
- высокое оптическое качество.

Рассмотрим несколько примеров способов создания мягких диафрагм на основе прозрачных диэлектрических пластин.

В способе, описанном в работе [5], область поглощения в пластине из неодимового стекла марки ЛГС-41 создается с помощью воздействия на периферийные участки образца проникающей радиацией ( γ - излучением). Полученные для пластинки с 2r_o = 30 мм и толщиной l=12 мм за счет применения свинцового фильтра область размытия Δr > 2 мм и коэффициент пропускания в периферийных участка при λ = 0,63 μм < 1% обеспечивали для излучения с этой длиной волны функцию пропускания пластинки T(r) с мягким профилем и высоким контрастом. В способе, описанном в обзоре [4], для получения мягких диафрагм на длине волны неодимового лазера 1,06 μм использовались пластины из кристалла CaF₂, активированные ионами Pr³⁺, которые облучались γ - лучами или на источнике быстрых электронов. Полученные значения коэффициентов наведенного поглощения ≅ 2 см^-1 позволили сформировать в этих образцах мягкие диафрагмы с 2r_o ≅ 45 мм при толщине l= 20 мм. Экспериментально была зарегистрирована стойкость диафрагм [4, 5] к мощному лазерному излучению, а также их достаточно высокое оптическое качество и контраст k > 10². Помимо радиационного окрашивания диэлектрических пластин для целей получения мягких апертур применяется также метод аддитивного восстановления редкоземельных ионов - активаторов в кристаллах. Для этого используется нагрев (t > 600^oC) образцов кристаллов в парах щелочноземельного металла [4]. Таким образом, например, были получены диафрагмы с рабочими диаметрами 1-3 мм из цилиндрических образцов CaF₂: Sm²⁺ диаметром 10 мм. Пропускание образцов в центре диафрагмы составляло 94%, а коэффициент поглощения на краях для λ = 0,63 мкм превышал 8 см^-1 [4].

Основными недостатками рассмотренных способов [4, 5] является их высокая трудоемкость при реализации, связанная с условиями применения источников проникающей радиации или агрессивной восстанавливающей среды (пары металла), высокая стоимость материалов, из которых изготавливаются мягкие диафрагмы (активированные редкоземельными ионами кристаллы или стекло), а также ограниченность спектральной области излучения, для которой может быть использована полученная таким образом диафрагма.

В работе [4] дан краткий обзор характеристик мягких апертур, изготовленных путем нанесения на прозрачные диэлектрические подложки поглощающих или отражающих излучение слоев. Фотографические мягкие апертуры просты в изготовлении, но обладают низкой лучевой прочностью, 0,05 Дж/см². Также невысокая оптическая прочность (0,4 Дж/см²) и у диафрагм, изготовленных путем напыления в вакууме на подложки металлических слоев переменной толщины. Мягкие диафрагмы, изготовленные путем нанесения многослойных диэлектрических покрытий, имеют высокую оптическую прочность > 5 Дж/см², но отличаются спектральной селективностью, свойственной таким покрытиям.

Наиболее близким к изобретению является способ формирования мягкой диафрагмы, описанной в работе [6]. Для обработки полированной поверхности подложки из стекла БК-7, установленной на вращающемся столике, авторы использовали пескоструйный аппарат. В зависимости от высоты расположения и угла наклона сопла пескоструйного аппарата по отношению к подложке, величины давления и скорости потока песчинок, их размеров и общего количества авторы могли варьировать ширину кольцевой зоны матирования поверхности подложки и крутизну профиля функции пропускания T(r). За счет прохождения излучения в матированной кольцевой зоне лазерный пучок на выходе полученной мягкой диафрагмы приобретал гладкий профиль. Авторы отмечают относительную дешевизну изготавливаемых диафрагм, а также их стойкость к условиям эксплуатации в лазерной установке. Основным недостатком рассмотренного способа изготовления мягких апертур является эмпирический характер применяемой методики, сложность ее количественного описания (которое авторы не приводят) и, как следствие этого, трудность перестройки и наладки экспериментальной установки для изготовления мягких апертур с заранее заданным профилем пропускания.

Техническая задача изобретения - формирование на основе прозрачной диэлектрической пластины мягкой диафрагмы с заданным профилем пропускания для аподизации световых пучков в видимой, ближней ультрафиолетовой и ближней ИК-областях спектра, возможность управления профилем пропускания диафрагм при их изготовлении. Одновременно изобретением предусматривается использование дешевых оптических материалов (стекол) для изготовления диафрагм, высокая стойкость мягких диафрагм к воздействию мощного лазерного излучения.

Предлагаемый способ формирования мягкой диафрагмы с характерным диаметром 2r_o на основе прозрачной полированной диэлектрической пластины толщиной l < r_o предусматривает обработку полированной поверхности или объема пластины с созданием в них в соответствии с заданной функцией пропускания диафрагмы T(r) рассеивающей, отражающей или поглощающей излучение зоны шириной Δr , состоящей из дискретных ячеек конечных размеров Δr_c, производящих амплитудную или фазовую модуляцию излучения. В отличие от рассмотренных выше известных способов создания мягких апертур, для которых характерной является непрерывная функция распределения поглощающих центров - ячеек атомных размеров [4, 5], или непрерывный характер функции пропускания T(r) наносимых на диэлектрическую пластину отражающих или поглощающих излучение слоев, или случайный характер распределения и невоспроизводимость размеров и формы отдельных центров рассеяния [6] , в предлагаемом способе форма, размеры и функция распределения отдельных ячеек Δr_c воспроизводятся в процессе изготовления в соответствии с заданной функцией пропускания. При этом суммарное удельное эффективное поперечное сечение ячеек σ(r) нарастает от оси к краю пластины по закону σ(r) ~ 1-T(r). Размер Δr_c ячеек связан соотношением с параметром L_min, ограничивающим во френелевой зоне дифракции вдоль координаты L по направлению распространения светового пучка область L_min < L < L_max ≅ 2Δr r_o/λ, где формируется гладкое пространственное распределение интенсивности вида Ir)=I_oT(r) в световом пучке, прошедшем через диафрагму. Здесь I_o=const - интенсивность в пучке с плоским распределением фазы, падающем на диафрагму. Размер Δr_c определяет также допустимую глубину Δl , на которой в диэлектрической пластинке могут быть сформированы рассеивающие или поглощающие излучение ячейки Δl < Δr_c/λ.
Пространственную структуру дискретных рассеивающих излучение ячеек на поверхности или в объеме пластины можно сформировать, например, обрабатывая пластину сфокусированным лазерным излучением. Порог разрушения поверхности ряда прозрачных диэлектриков (стекол, кристаллов) при обработке их лазерным излучением с длиной волны ≅ 1 μм при длительности лазерного импульса ≅ 10^-9 с около 10 Дж/см² [7]. Поэтому при фокусировке на поверхность, например, пластины из стекла БК-7 импульса с энергией всего 10^-3 Дж можно за счет испарения вещества при лазерной абляции сформировать отдельный рассеивающий центр с размерами ≅ 10^-4 см² [7]. Перемещая пластинку перед фокусом лазера (например, на координатном столике, управляемом компьютером) от вспышки к вспышке можно "записать" на поверхности пластинки пространственную структуру дискретных рассеивающих центров с любой наперед заданной функцией распределения. Подобным же образом с помощью сфокусированного лазерного излучения можно произвести "запись" структуры и в объеме пластины, причем перемещая пластину вдоль направления сфокусированного лазерного пучка в пределах допустимой глубины обработки Δl < Δr_c/λ , можно разместить структуру рассеивающих ячеек в нескольких слоях. С ростом длительности лазерного импульса порог разрушения оптических поверхностей I_p увеличивается по закону I_p ~ τ^γ, где τ длительность лазерного импульса, а γ - показатель, изменяющийся в диапазоне значений 0,2-0,7 для различных материалов [7]. Аналогичные соотношения существует и для объемного разрушения. В соответствии с этими законами может быть определен уровень плотности энергии излучения, необходимый для обработки диэлектрической пластины.

Вместо лазерного излучения для создания структуры дискретных ячеек рассеивающих, отражающих или поглощающих излучение можно использовать также процессы травления поверхности, нанесения тонких пленок металла или диэлектрика через маску на поверхность пластины и другие.

В отличие от способа формирования мягкой диафрагмы с помощью пескоструйного аппарата [6], в предлагаемом в данном изобретении способе заложена возможность управления профилем пропускания диафрагмы за счет изменения размеров, формы и функции распределения создаваемых в пластине ячеек. С другой стороны, создание в пластине центров рассеяния (поглощения) с конечными размерами Δr_c накладывает некоторые ограничения на область применения мягких диафрагм, изготовленных в соответствии с предлагаемым способом. Действительно, на расстояниях от диафрагмы (по ходу распространения прошедшего диафрагму пучка) 0 < L < L_min, где L_min = 2r_oΔr_c/λ на профиль прошедшего диафрагму пучка будет накладываться высококонтрастная спекл-структура, связанная с интерференцией излучения, прошедшего через систему дискретных ячеек. На расстояниях L > L_min вкладом спекл-структуры в пространственное распределение интенсивности в пучке можно пренебречь. Заметим, что поскольку во многих приложениях мягкие диафрагмы применяются в сочетании с системами трансляции пучка, включающими пространственные фильтры, высокочастотные компоненты в пространственном распределении интенсивности пучка, проходящего через такую систему, эффективно подавляются [3]. Это позволяет существенно уменьшить L_min (фактически L_min будет определяться длиной пространственного фильтра).

Предлагаемый способ формирования мягкой диафрагмы рассмотрен в следующих трех примерах, иллюстрируемых фиг. 2, 3.

На фиг. 2a представлено устройство мягкой диафрагмы с круглой апертурой на основе пластинки с диаметром 2r_o и толщиной l в которой зона размытия у края диафрагмы шириной Δr образована за счет обработки поверхности пластины или ее объема лазерным излучением. Размер отдельной дискретной рассеивающей ячейки Δr_c , Δl глубина обработки. На фиг. 2б представлены профили интенсивности излучения, падающего на диафрагму I_o=const и прошедшего диафрагму I(r)=I_o T(r) толщиной l на расстоянии L < L_min и в зоне формирования гладкого распределения интенсивности L_min < L < L_max ≅ 2Δr r_o/λ.
Пример 1. Круглая диафрагма с r_o=5 мм и толщиной l=4 мм, зона обработки поверхности лазерным излучением Δr = 0,5 мм, Δl ≈ 0. Поперечный размер элементарной ячейки Δr_c = 20 мкм, ячейки расположены на поверхности пластины и производят амплитудную и фазовую модуляцию излучения. Полное расчетное число ячеек, сформированных на поверхности пластины, N = 25122. Вид функции пропускания:

Здесь r_g = 0,38 Δr соответствует уменьшению пропускания в 10³ раз.

Границы области формирования гладкого распределения интенсивности для излучения с длиной волны λ ≅ 1 мкм: L_min ≅ 20 см, L_max ≅ 5 м.

Пример 2. Круглая диафрагма с радиусом r_o=10 см и толщиной l= 2 см, ширина зоны обработки у края Δr = 5 мм, размер отдельной ячейки 100 мкм, допустимая глубина обработки Δl < 1 см. Расчетное значение общего количества ячеек - 81287. Функция пропускания имеет вид:

Здесь r_g = 0,785 Δr. Границы области формирования гладкого распределения интенсивности для λ ≅ 1 мкм: L_min ≅ 20 м, L_max ≅ 840 м.

Пример 3. На фиг. 3 представлено устройство мягкой диафрагмы с круглой апертурой диаметром 2r_o = 10 мм на основе пластинки толщиной l=4 мм, обработанной с поверхности лазерным излучением. Ячейки структуры равномерно распределены по азимуту диафрагмы, максимальный размер ячейки вдоль радиуса (ширина зоны обработки) Δr = 1 мм. Общее количество ячеек N=209. Поперечный размер ячейки Δr_c изменяется в зависимости от r по закону:
Δr_c(r) = Δr_c(r_o){1-exp{-[(r+Δr-r_o)/r_g]⁴}},
r_g = 0,62 Δr, при этом Δr_c(r_o) = 2πr_o/N ≅ 150 мкм.
Функция пропускания диафрагмы имеет вид

Границы области формирования гладкого распределения интенсивности для λ ≅ 1 мкм: L_min ≅ 1,5 м, L_max ≅ 10 м.

Отметим, что рассмотренные в примере ячейки могут быть составлены из более мелких ячеек, расположенных вплотную друг к другу, если это целесообразно из технологических или иных соображений, например, для уменьшения L_min, т.е. расширения рабочей области.

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

2. J. McMahon et al. JEEE J. QE, 17, 9, 1629 (1981).

3. В.Van Wonterghem. J. Murray, J. Campbell et al. Performance of a prototype for a large aperture multipass Nd: glass laser for inertial confinement fusion. Appl. Opt., 36, 21, 4932-4953 (1997).

4. С. Г. Лукишова, И.К. Красюк, П.П. Пашинин, А.М. Прохоров. Аподизация световых пучков как метод повышения яркости лазерных установок на неодимовом стекле. Труды ИОФАН, 7, стр. 92-147 (1987).

5. В. Н. Беляев, Н.Е. Быковский, Ю.В. Сенатский, Б.В. Соболев. Формирование проникающей радиацией поглощающих слоев в оптической среде неодимового лазера. Квантовая электроника, 3, 10, 2286-2288 (1976).

6. N. Rizvi, O. Rodkiss, C. Danson. Apodiser development. Rutherford Appleton Laboratory. Annual report to the Laser Facility Committee, RAL-87-041, pp. 113-114 (1987).

7. L. Chase. Laser Ablation and Optical Surface Damage. In the book Laser Ablation. J.C. Miller (Ed), Springer-Veralg, Berlin Heidelberg (1994), pp. 53-84.2

Изобретение относится к лазерной аподизирующей 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. Способ формирования мягкой диафрагмы на основе прозрачной диэлектрической пластины для аподизации световых пучков в ближнем ультрафиолетовом, видимом или ближнем инфракрасном диапазонах длин волн λ заключается в том, что в апертуре диэлектрической пластины с характерным размером r_o, поперечной координатой r и толщиной l создают рассеивающую, отражающую или поглощающую излучение зону шириной Δr, состоящую из дискретных ячеек с контролируемыми формой и размерами Δr_c, расположенных на поверхности или в объеме пластины в соответствии с заданным профилем пропускания диафрагмы T(r). При этом суммарное удельное эффективное поперечное сечение этих ячеек, определяющее диссипацию энергии излучения, нарастает от оси к краю пластины по закону σ(r) ~ I-T(r), а размеры отдельных ячеек связаны с глубиной обработки диэлектрической пластины Δl и с расстоянием L_min до границы области формирования гладкого распределения интенсивности в пучке. Технический результат изобретения состоит в повышении эффективности процесса изготовления мягких апертур с требуемыми оптическими параметрами. 3 ил.

Способ формирования мягкой диафрагмы на основе прозрачной диэлектрической пластины для аподизации световых пучков в ближнем ультрафиолетовом, видимом или ближнем инфракрасным диапазонах длин волн λ, включающий обработку полированной поверхности пластин с поперечной координатой r или объема пластины толщиной l на глубину Δl с созданием в апертуре диафрагме рассеивающей, отражающей или поглощающей излучение зоны шириной Δr с результирующим гладким пространственным профилем пропускания диафрагмы T(r), нарастающим от края диафрагмы к ее оси, отличающийся тем, что рассеивающую, отражающую или поглощающую излучение зону в апертуре диафрагмы с характерным размером r_o создают из дискретных ячеек с контролируемыми формой и размерами Δr_c, расположенных на поверхности или в объеме пластины в соответствии с заданным профилем пропускания диафрагмы T(r), при этом суммарное удельное эффективное поперечное сечение этих ячеек нарастает от оси к краю пластины по закону σ(r) ~ I-T(r), а размеры отдельных ячеек определяются соотношением , где L_min - расстояние по направлению распространения светового пучка от пластины до границы области формирования гладкого распределения интенсивности в пучке.