МЯГКАЯ ДИАФРАГМА ДЛЯ ЛАЗЕРОВ Российский патент 2001 года по МПК G02B27/58 H01S3/10 

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

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

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

Общей характеристикой мягких диафрагм, применяемых для аподизации световых пучков, является наличие в их апертуре с характерным размером r₀ (r-поперечная координата) рассеивающей, отражающей или поглощающей излучение с длиной волны λ зоны шириной Δr ≅ r₀ с результирующим гладким пространственным профилем пропускания диафрагмы T(r), нарастающим от края диафрагмы к ее оси. При этом для пучка излучения с равномерным пространственным распределением фазы и интенсивности I(r) = I(₀) = const, падающего на диафрагму, на расстоянии L от нее, в области дифракции Френеля формируется пространственное распределение интенсивности I(r)=I₀T(r) с гладким (мягким) профилем.

Известным устройством, предлагавшимся в качестве мягкой диафрагмы для лазеров, является кювета с прозрачными для лазерного излучения окнами и с внутренней полостью (зазором) переменной толщины, заполненным рабочим веществом, поглощающим лазерное излучение. Для того чтобы лазерный пучок с равномерным распределением интенсивности, падающий на такую кювету, на выходе из нее приобрел мягкое распределение интенсивности, описываемое супергауссовой функцией с контрастом К, зависимость коэффициента пропускания диафрагмы от радиуса r, T(r) должна описываться функцией вида /9/,

а профиль оптических элементов, ограничивающих слой поглощающей жидкости, должен быть, вообще говоря, асферическим. При этом зависимость толщины слоя поглотителя от радиуса r описывается функцией вида /9/,

Здесь Т(о) - пропускание на оси диафрагмы,
a - радиус диафрагмы, при котором Т(r) уменьшается в К раз,
h₀ > 0 - толщина слоя поглотителя на оси диафрагмы.

Известна мягкая диафрагма на основе кюветы из стекла, одно из окон которой представляет собой плоскопараллельную пластину, а другое - плосковыпуклую сферическую или асферическую линзу /2,3,5,6,9/. В качестве поглощающего излучение на длине волны неодимового лазера λ = 1,06 мкм вещества в кюветах использовался раствор медного купороса /3,5/ или раствор красителя /2/.

Известна мягкая диафрагма на основе кюветы с плоскопараллельными окнами из стекла и линзоподобным вкладышем, устанавливаемым в проставочном кольце между ними /9/. Вкладыш образует два зазора с переменной толщиной, заполняемых поглощающей лазерное излучение жидкостью. Контраст рассматриваемых кювет-мягких диафрагм /2,3,5,6,9/ может превышать 10³. К их недостаткам, однако, следует отнести необходимость с высокой точностью (10^-5) подбирать показатели преломления окон с криволинейной поверхностью (или вкладыша) и рабочей жидкости, которая, по существу, должна представлять собой иммерсионную жидкость. Отклонения от значения, соответствующего иммерсии, на величину 10^-3 могут быть вызваны небольшими ≈ 1^o изменениями температуры кюветы. В результате оптическая сила криволинейных окон кюветы или вкладыша оказывается нескомпенсированной и кювета вносит фазовые искажения в проходящий через нее пучок. Для поддержания условия иммерсии в рассматриваемых кюветах требуется их термостабилизация с точностью 0,1К, что конечно затрудняет их практическое использование.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению является устройство мягкой диафрагмы-кюветы из стекла с менисковым вкладышем, размещенным между окнами с двумя зазорами /9/. Один из зазоров заполняется поглощающей лазерное излучение жидкостью с показателем преломления μ₁ , а второй ("буферный" зазор) - прозрачной для лазерного излучения жидкостью с показателем преломления μ₂ , причем Выпукло-вогнутый мениск с показателем преломления n, помещенный в такую среду, обладает практически нулевой оптической силой даже при значительных рассогласованиях показателей преломления вкладыша и жидкостей Соответственно, кювета с менисковым вкладышем не требует жесткой термостабилизации.

Вместе с тем у всех рассматривавшихся кювет, использующих профилированный слой поглощающей жидкости, имеются общие недостатки. К их числу относится, во-первых, неизбежная спектральная селективность подобных устройств, связанная с определенными ограниченными спектральными интервалами, которые занимают обычно полосы поглощения растворов солей и красителей. Еще одним существенным недостатком является неизбежное для этих устройств значительное тепловыделение в кювете при прохождении излучением слоя поглотителя. Действительно, даже при работе кюветы-мягкой диафрагмы в лазере в режиме редких однократных вспышек неравномерный по сечению пучка нагрев рабочей жидкости и оптических компонент кюветы может быть существенен. Например, для кюветы со световым диаметром 2r₀ = 7 см с менисковым вкладышем со сферическими поверхностями с радиусом R = 17,5 см толщина слоя красителя на периферии h(r₀) = 3,5 мм. Для того чтобы получить контраст К = 1000 коэффициент поглощения красителя в кювете должен быть к = 20 см^-1. Если на кювету падает излучение с плотностью энергии 0,5 Дж/см³ то, как нетрудно видеть, тепловыделение в периферийных частях кюветы может превышать 1,5 Дж/см³, а прирост температуры может превышать 1^o. В то же время вблизи оси пучка Δt < 0,1^°. Неравномерное тепловыделение по объему кюветы будет приводить к фазовым искажениям проходящего через кювету пучка. При использовании кюветы-мягкой диафрагмы с поглощающим слоем жидкости в лазерах, работающих в импульсно-периодическом или непрерывном режимах, термические искажения в оптических компонентах кюветы будут накапливаться, что приведет к деградации пространственно-угловых параметров лазерного пучка и может привести к разрушению компонент кюветы из-за возникающих термических напряжений.

Задачей данного изобретения явилось создание конструкции кюветы-мягкой диафрагмы, обладающей сглаженной функцией пропускания с высоким контрастом, обеспечивающей аподизацию лазерных пучков в широком спектральном диапазоне от ближнего УФ до ИК диапазонов длин волн и при этом обладающей незначительным собственным поглощением проходящего лазерного излучения.

Заявляемое техническое решение представляет собой мягкую диафрагму для аподизации пучка лазерного излучения с детиной волны λ на основе кюветы со световой апертурой (диаметром) 2r₀, с окнами из оптически прозрачного материала, имеющими плоские или криволинейные поверхности, устанавливаемыми в корпусе так, что между окнами имеется по крайней мере один зазор с толщиной h, зависящей от поперечной координаты r и нарастающей от оси диафрагмы, где h(0)= h₀ > 0, к ее периферии, где h₀ < h(r) ≅ h(r₀), который заполняется рабочим веществом, ослабляющим интенсивность лазерного пучка так, что образуется слой с коэффициентом пропускания Т(_r), спадающим от оси диафрагмы к ее краю. В качестве рабочего вещества в заявляемом техническом решении предлагается использовать мутную среду с постоянной по объему концентрацией оптических неоднородностей.

Мутные среды, по определению, среды с оптическими неоднородностями, на которых происходит поглощение, отражение или рассеяние света /10/. Оптические неоднородности могут быть связаны с включением одного вещества в другое (эмульсии, дымы и т.п.) и с флуктуациями, например, плотности в одном веществе вследствие теплового движения. В принципе, на основе мутных сред обоих типов может быть устроена мягкая диафрагма по заявляемому нами техническому решению. Однако для создания мягких диафрагм с достаточно высоким контрастом К= 100-1000 необходимо использовать мутные среды с высокой эффективностью ослабления лазерного излучения. Такой может быть, например, рабочая среда на основе прозрачной для лазерного излучения в широком диапазоне длин волн жидкости, например воды, содержащей мелкие частицы, поглощающие также в широком диапазоне длин волн, например, крупинки графита. Кювета подобного устройства может успешно выполнить функции мягкой диафрагмы для лазеров в тех диапазонах длин волн, где подбор жидкости с соответствующей полосой поглощения затруднителен. Однако применение такой кюветы-мягкой диафрагмы с лазерами импульсно-периодического и непрерывного режимов работы сопряжено с трудностями, вызванными нагревом рабочего вещества и компонент кюветы, приводящими к фазовым искажениям прошедшего кювету пучка.

Нами преследуется цель обеспечить возможность применения кювет-диафрагм в различных диапазонах длин волн и одновременно добиться малого поглощения лазерного излучения в кювете. Поэтому в заявляемом техническом решении предлагается также мутная среда, которая представляет собой прозрачное для лазерного излучения вещество с показателем преломления μ , которое содержит прозрачные для лазерного излучения малые частицы с показателем преломления n ≠ μ, с размерами 2ρ, λ ≅ 2ρ ≅ h₀, отражающие и(или) рассеивающие лазерное излучение, где λ - длина волны лазерного излучения, ρ - характерный радиус частицы, h₀ - минимальная толщина зазора на оси кюветы.

Для того чтобы уменьшить оптическую силу кюветы-мягкой диафрагмы, в заявляемом техническом решении предусматривается также устройство кюветы со вкладышем с двумя зазорами, один из которых заполняется мутной средой, а второй - прозрачной для лазерного излучения средой. При этом практически нулевую оптическую силу кюветы можно получить, если использовать менисковый вкладыш и близкие значения показателей преломления мутной среды в первом зазоре и прозрачной среды во втором зазоре.

Конструкция кюветы-мягкой диафрагмы представлена на чертеже. На чертеже и в тексте приняты следующие обозначения:
1,2 - окна кюветы (стекло, кварц);
3 - мутная среда, ослабляющая лазерное излучение;
4 - вкладыш в виде выпукло-вогнутого мениска (стекло, кварц, пластмасса);
5 - уплотнения;
6 - отверстия для заполнения кюветы
7 - слой вещества, прозрачный для лазерного излучения.

В конструкции кюветы на чертеже образующиеся между окнами и вкладышем зазоры заполняются прозрачной для лазерного излучения жидкой или газообразной средой с показателем преломления μ. При этом слой рабочего вещества 3 в зазоре между окном и выпуклой поверхностью мениска содержит частицы с показателем преломления n ≠ μ, рассеивающие и(или) отражающие лазерное излучение. Этот зазор и формирует мягкий профиль пропускания кюветы. В конструкции кюветы предусмотрены уплотнения 5 и отверстия 6 для раздельного заполнения зазоров веществами, которое может осуществляться и в режиме протока.

Таким образом, предлагается устройство мягкой диафрагмы-кюветы на основе профилированного слоя мутной среды, рассеивающего и(или) отражающего падающее на него лазерное излучение. В зависимости от концентрации частиц-рассеивателей может изменяться контраст и профиль пропускания диафрагмы. При этом лишь малая доля проходящего через диафрагму излучения поглощается в рабочем веществе, что должно обеспечить применение предлагаемого устройства в лазерах импульсно-периодического и непрерывного режимов работы. Диссипация энергии излучения за счет его рассеяния и отражения на мелких неоднородностях в среде при ρ ≥ λ может происходить, как известно, в широком диапазоне длин волн от ближнего УФ до ИК участков спектра /10/, что обеспечивает возможность применения предлагаемого устройства мягкой диафрагмы в этих диапазонах длин волн. Применение менискового вкладыша в конструкции кюветы на чертеже позволяет обходиться практически без компенсации оптической силы устройства, потому что оптическая сила мениска как в жидкой, так и в газообразной окружающей среде близка к 0. Необходимо отметить, что если кювета-мягкая диафрагма устанавливается, как это обычно бывает на практике, в газовой среде - в воздухе, в атмосфере инертного газа, то при использовании в кювете газообразной среды с рассеивающими частицами второй "буферный" зазор и второе плоское окно (2) в кювете могут быть исключены. Второе окно кюветы будет образовано в этом случае самим мениском.

Необходимо отметить, однако, следующую особенность предлагаемого технического решения. Наличие мелких частиц-рассеивателей в объеме рабочей жидкости должно привести к неизбежной модуляции интенсивности на профиле прошедшего через кювету пучка за счет интерференции рассеянного излучения. Такая высококонтрастная спекл-структура будет накладываться на профиль прошедшего через диафрагму пучка на расстояниях от диафрагмы (по ходу прошедшего пучка) 0 < L < L_min, где L_min = 2r₀ρ/λ. На расстояниях L > L_min вкладом спекл-структуры в пространственное распределение интенсивности в пучке можно пренебречь. Для рассматриваемых нами случаев малых частиц ρ ≥ λ, L_min составляет 10-100 см.

Для пояснения сущности заявляемого технического решения и его количественной характеристики рассмотрим примеры.

Пример 1. Кювета заполнена жидким или газообразным рабочим веществом, содержащим тонкостенные стеклянные сферические оболочки с характерным радиусом ρ = 5 мкм. Существенно, чтобы показатели преломления оболочек сильно отличались Δn = 0,1-0,5 от показателей преломления газа или жидкости. При длине волны излучения λ ≈ 1 мкм в соответствии с положениями теории при ρ ≥ λ, рассеяние считается рассеянием на малых частицах. В этом случае характерное значение сечения рассеяния на одной частице изменется от значения геометрического поперечника πρ² до величин 6πρ² при резонансах /11/. В качестве "среднего" значения сечения рассеяния можно принять σ = 2πρ² /11/. Будем считать, что одна такая оболочка приходится на объем рабочего вещества в кубике с ребром 50 мкм. Объем такого кубика v = 1,25 · 10^-7 см³. Таким образом, концентрация наших "частиц" будет N = 8· 10⁶ см^-3. Общий объем "частиц" в 1 см^-3 будет 4,2 · 10^-3 см³. Коэффициент ослабления будет α = σN = 2πρ²·N = 12,5 см^-1. При h₀ = 0,1 мм и h(r₀)= 5 мм мы получим следующие значения коэффициента пропускания нашей мутной среды:
Т(O) = 0,88 - для осевого луча;
Т(r₀)= 0,0022 - для периферийного луча. Контраст диафрагмы при этом будет К = 400.

Такую мягкую апертуру можно получить, если использовать следующие значения параметров кюветы и вкладыша (сферического мениска) r₀=3 см, R = 8 см, h₀ = 0,1 мм, h(r₀)= 5 мм. Зазор такой кюветы должен быть заполнен прозрачной для лазерного излучения жидкостью, например водой, или газом, например воздухом, содержащим равномерно распределенные по объему сферические оболочки. Производство таких стеклянных "пузырьков" в больших количествах в настоящее время достаточно дешево /12/. Необходимо отметить, что, как показывают оценки, допустим в достаточно широких пределах разброс "пузырьков" по диаметру (в пределах одного порядка величин). За счет изменений размеров "пузырьков" и их концентрации можно добиваться изменений коэффициента пропускания кюветы в широких пределах для различных длин волн. Надо отметить, что приведенная нами оценка контраста является оценкой снизу, так как использовавшиеся соотношения применяются для случаев однократного рассеяния. По-видимому, для периферийных частей кюветы необходимо учитывать многократное рассеяние излучения, что может только увеличить значения K. Потери на поглощение излучения кюветой с нашей мутной средой не должны превышать по оценкам нескольких % энергии падающего излучения. Достаточно высокой должна быть и лучевая прочность мягкой диафрагмы, которая будет определяться лучевой прочностью стекла, достигающей 5-10 Дж/см². Эти данные указывают на возможность использования кювет-мягких диафрагм в мощных лазерах, работающих как в режиме одиночных вспышек, так и в импульсно-периодическом и непрерывном режимах.

Возникает вопрос о перемещении мелких частиц в кювете за счет гравитационного поля и об изменении из-за этого концентрации частиц в различных частях объема рабочей среды. Здесь следует, однако, отметить, что даже для случая перемещения полых стеклянных сфер в газе при атмосферном давлении, предельная скорость перемещения оболочек составляет всего ≈ 1 мм/с, для воды- 0,1 мм/с, а для глицерина - 0,01 мм/сутки. Таким образом, для поддержания постоянной по объему рабочей среды концентрации частиц можно поместить их в вязкую жидкость или в гель. В случае газообразной среды или жидкости с малой вязкостью для поддержания постоянной концентрации необходимо организовать проток вещества через кювету со скоростями ≈ 1 мм/с.

Пример 2. Кювета с двумя плоскопараллельными окнами и сферическим менисковым вкладышем, типа изображенной на чертеже, с минимальной толщиной зазора на оси h₀= 0,2 мм. Зазор заполнен непоглощающим стеклянным порошком с показателем преломления n с размерами частиц ρ = 0,15 мм и залит жидкостью с показателем преломления μ. Коэффициент пропускания Т монохроматического излучения с длиной волны λ, подобной средой в слое с постоянной толщиной описывается выражением, полученным для фильтра Христиансена /13/,

где ρ - размер частиц стекла, n, μ - показатели преломления стекла и жидкости соответственно, σ² - показатель неоднородности стекла, равный квадрату среднего отклонения показателя преломления стекла, k² - статистическая величина, описывающая геометрическую беспорядочность частиц. Это выражение было получено Ч.Раманом и уточнено В.Шелюбским /13/. По данным этих авторов значения k² обычно находятся в пределах 0,36-0,56. Вдали от точки иммерсии слой является сильным ослабителем изучения /13/. Слой начинает пропускать излучение только вблизи точки полной иммерсии, т.е. там, где При полной иммерсии для малых значений h и σ² (оптически однородное стекло) пропускание слоя Т ≈ 100%. Таким образом, используя профилированный слой жидкости со стеклянным порошком вблизи точки иммерсии, можно получить мягкий профиль пропускания в кювете.

Подсчитаем контраст такой мягкой апертуры для 1 мкм и следующих значений параметров кюветы: r₀ = 3 см, R = 5 см, h₀= 0,2 мм, h(r₀) = 1 см: n - μ = 10^-3, σ² = 10^-8 (оптическое стекло), ρ = 0,15 мм. Для k² примем среднее из интервала допустимых значений k² = 0,46. Формулу можно представить в виде T = exp(-γh) где γ в нашем случае составляет (пренебрегая σ²), γ = 6,8 см^-1. Контраст кюветы будет К = 780.

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

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

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

4. McMahon J.M., Burns R.P., Debiux Т.Н. et al. "Tlie Upgraded Pharos II Laser System", IEEE J. of Quantum Electronics, vol QE-17,9, pp. 1629-1638 (1981).

5. Rizvi N., Redkiss D., Panson C. "Apodizer development", Rutherfford Appleton Lab., Ann. report, RAL-87-041, pp.ll3-114 (1987).

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

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

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

9. L.M. Vinogradsky, S.K. Sobolev, Yu.V. Senatsky et al. Preprint FIAN N 53, 1998.

10. "Физический энциклопедический словарь " под ред. А.М. Прохорова. М., "Советская Энциклопедия", (1984).

11. Г.ван де Хюлст "Рассеяние света малыми частицами " Изд. Иностранной литературы, М., 1961.

12. H. S. Katz and V. Milevsky "Handbook of fillers and reinforsements for plastics", Van Reinholds Co., 1978.

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

Мягкая диафрагма для лазеров содержит кювету с двумя окнами из оптически прозрачного материала, установленными по крайней мере с одним зазором, нарастающим по толщине от оси кюветы к ее периферии и заполненным рабочим веществом, ослабляющим интенсивность лазерного излучения. Рабочее вещество является мутной средой, представляющей собой прозрачное для лазерного излучения вещество с показателем преломления μ, которое содержит оптические неоднородности с показателем преломления n≠μ, рассеивающие лазерное излучение. Оптические неоднородности имеют размеры 2ρ, причем λ≅2ρ<h_0, где λ- длина волны лазерного излучения, ρ- характерный радиус частицы, h₀ - минимальная толщина зазора на оси кюветы. Кювета может содержать дополнительный зазор, заполненный прозрачной для лазерного излучения средой с показателем преломления, близким по значению к μ. При этом оптические неоднородности могут иметь концентрацию, постоянную по объему мутной среды. Обеспечивается создание мягкой диафрагмы, обладающей сглаженной функцией пропускания с высоким контрастом, обеспечивающей аподизацию лазерных пучков в широком спектральном диапазоне от ближнего УФ до ИК диапазонов длин волн и при этом обладающей незначительным собственным поглощением проходящего лазерного излучения. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Мягкая диафрагма для лазеров на основе кюветы с двумя окнами из оптически прозрачного материала, установленными по крайней мере с одним зазором, нарастающим по толщине от оси кюветы к ее периферии и заполненным рабочим веществом, ослабляющим интенсивность лазерного излучения, отличающаяся тем, что рабочее вещество является мутной средой, представляющей собой прозрачное для лазерного излучения вещество с показателем преломления μ, которое содержит оптические неоднородности с показателем преломления n ≠ μ, рассеивающие лазерное излучение, с размерами 2 ρ, причем λ ≅ 2ρ ≅ h₀ где λ - длина волны лазерного излучения, ρ - характерный радиус частицы, h₀ - минимальная толщина зазора на оси кюветы. 2. Мягкая диафрагма для лазеров по п.1, отличающаяся тем, что кювета содержит дополнительный зазор, заполненный прозрачной для лазерного излучения средой с показателем преломления, близким по значению к μ.
3. Мягкая диафрагма для лазеров по п.1 или 2, отличающаяся тем, что оптические неоднородности имеют концентрацию, постоянную по объему мутной среды.