АПОДИЗАТОР ДЛЯ ПУЧКА ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ Российский патент 2004 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, лазерной медицине, в научных исследованиях. Аподизаторы ("мягкие" диафрагмы) являются достаточно широко используемыми устройствами в оптическом тракте лазерных установок [1-14]. 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 аподизаторов повышает устойчивость мощных лазерных пучков по отношению к самофокусировке, выравнивает распределение интенсивности по сечению. Оно позволяет оптимизировать энергосъем в активной среде за счет повышения фактора заполнения излучением рабочей апертуры усилителя. В резонаторах лазеров аподизаторы используются для селекции поперечных мод и формирования профиля распределения интенсивности излучения [6, 8]. Наибольшее распространение получили так называемые “амплитудные” аподизаторы, представляющие собой, по существу, оптические фильтры с переменным по сечению пучка пропусканием. Известны также “фазовые” аподизаторы, в апертуру которых вводится фазовая неоднородность типа рассеивающей линзы /1, 10/, а также аподизаторы смешанного (амплитудно-фазового) типа /10/.

Несмотря на большое число предлагавшихся методов и технологий изготовления аподизаторов [1-14], реальное применение нашли лишь несколько типов амплитудных аподизаторов, отличающихся достаточно высокой стойкостью к лазерному излучению (лучевая нагрузка 1-3 Дж/см²) а также высокими значениями контраста (отношения коэффициентов пропускания излучения на оси и на периферии пучка, К=10²-10³) и “фактора заполнения” (интегрального по апертуре аподизатора пропускания, F≥ 70%). Среди них так называемые зубчатые диафрагмы из металла /11/, аподизаторы на основе частично матированных стеклянных пластинок /12, 13/, диафрагмы на основе многослойных диэлектрических покрытий на пластинках и некоторые другие /7, 8/.

Общей характеристикой амплитудных аподизаторов для световых пучков является наличие в их апертуре с характерным размером 2R, R≥ r≥ 0 (r - поперечная координата, R - радиус пучка) рассеивающей, отражающей или поглощающей излучение с длиной волны λ зоны шириной Δ r≤ R с гладким пространственным профилем пропускания Т(r), нарастающим от края аподизатора к его оси. При этом для пучка излучения с равномерным пространственным распределением фазы и интенсивности I(r)=I₀=const, падающего на аподизатор, на расстоянии L_F от него, 0<L_F<L_mах ≈ 2Δ rR/λ , в области дифракции Френеля формируется пространственное распределение I(r)≈ I₀Т(r) с гладким (мягким) профилем.

Известными устройствами, предлагавшимися в качестве амплитудных аподизаторов для лазеров, являются кюветы с прозрачными для излучения окнами-линзами и с внутренней полостью (зазором) переменной толщины, заполненным рабочим веществом (иммерсионной жидкостью), поглощающим лазерное излучение (раствором соли или красителя) [2-6]. Известны кюветы-аподизаторы с вкладышами во внутренней полости, образующими зазоры переменной толщины, заполняемые поглощающей жидкостью [4-6]. Для того чтобы пучок с равномерным распределением интенсивности, падающий на кювету, на выходе из нее приобрел гладкое распределение интенсивности, описываемое супергауссовой функцией с показателем “жесткости” N и контрастом К, зависимость коэффициента пропускания диафрагмы от радиуса r, Т(r) должна описываться функцией вида /4/

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 /4/

Здесь Т₀=Т(o) - пропускание на оси диафрагмы, R - радиус диафрагмы, при котором Т(r) уменьшается в К раз, h₀>0 - толщина слоя поглотителя на оси диафрагмы, k₁ -коэффициент поглощения раствора.

Вместе с тем у всех рассматривавшихся кювет-аподизаторов [2-7], использующих профилированный поглощающий слой, имеются 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, которое приводит к фазовым искажениям проходящего через кювету пучка. 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. К числу недостатков рассмотренных аподизаторов следует отнести также сложность изготовления асферической оптики для формирования профилированного слоя поглощения в кюветах.

Известны аподизаторы на основе рассеивающих лазерное излучение центров, формируемых на поверхности [12, 13] или в объеме [6, 14] прозрачной для излучения диэлектрической (стеклянной) пластины с помощью матирования поверхности [12, 13] или обработки объема пластины лазерным излучением [6, 14]. Эти аподизаторы обладают лучевой стойкостью, сравнимой с оптической прочностью стекла, незначительными потерями на поглощение и могут применяться с лазерами в широком диапазоне длин волн от ближнего УФ до ИК участков спектра, в том числе с лазерами импульсно-периодического и непрерывного режимов работы.

Однако общим для всех рассмотренных типов аподизаторов недостатком является отсутствие возможности перестройки их функции пропускания. В то же время потребность в оптических элементах-аподизаторах с управляемыми (адаптивными) характеристиками имеется. Известны аподизированные адаптивные зеркала для перестройки модового состава и распределения интенсивности излучения в резонаторах лазеров и в области взаимодействия лазерного излучения с обрабатываемым материалом [15]. Адаптивная оптика необходима и для компенсации хорошо известных искажений, возникающих в активной среде лазера из-за тепловыделения при накачке [16]. Аподизаторы с адаптивным профилем пропускания могут быть использованы для решения этих задач. В работе /17/ наблюдалась перестройка профиля пропускания излучения в кювете с протоком коллоидного раствора поглощающих излучение частиц. Потери на светорассеяние в коллоидном растворе не превышали десятой доли процента /17, 18/. По существу, в работе /17/ для сепарации частиц по размерам и перестройки профиля пропускания был использован известный принцип гидроциклона /19/, который наряду с центрифугой /20/ широко применяется в технике для разделения различных смесей на основе жидких и газообразных сред. Отметим, однако, что при использовании для сепарации частиц кюветы типа /17/, работающей по принципу гидроциклона, неизбежны искажения профиля пропускания, связанные с асимметрией ввода и вывода потока в кювете и возникновением осевого противотока /19/. Заметим также, что при использовании в кювете движущихся частиц, поглощающих лазерное излучение, возможно создать лишь такой аподизатор, который будет не свободен от общих недостатков кювет с поглощающими средами: спектральной селективности и значительного тепловыделения в поглотителе.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению является устройство аподизатора на основе кюветы с мутной средой в соответствии с патентом РФ №2163386 [21]. Такая кювета заполняется прозрачной для лазерного излучения средой с показателем преломления μ , содержащей оптические микронеоднородности (малые частицы) с показателем преломления n≠ μ , с радиусами ρ ≥ λ , рассеивающие лазерное излучение. Сформированный за счет конструкции кюветы профилированный по толщине слой таких рассеивателей с максимальным количеством частиц на периферии кюветы обеспечивает сглаженный профиль пропускания аподизатора Т(r), спадающий от оси кюветы к ее периферии. Для расчета Т(r) в выражениях (1, 2) для амплитудного аподизатора вместо коэффициента поглощения k₁ нужно использовать показатель ослабления γ =σ m₀, где σ =2π ρ ² - сечение рассеяния, а m₀ - постоянная по объему концентрация рассеивающих частиц. Для кюветы, заполненной газом или жидкостью, содержащими тонкостенные стеклянные оболочки с характерным радиусом ρ =5 мкм при m₀=8· 10⁶ м^-3, подсчет контраста аподизатора (отношения функций пропускания для слоев мутной среды на оси и на периферии толщиной соответственно 0,1 и 5 мм) дает значение К≅ 400 [21]. Для предотвращения оседания частиц вследствие силы тяжести предусматривается проток среды с микрочастицами через кювету [21]. Достоинствами аподизатора в соответствии с патентом [21] являются его малое собственное поглощение, высокая оптическая прочность и возможность использования с лазерами в широком спектральном диапазоне длин волн излучения. К недостаткам следует отнести сложность изготовления асферической оптики, необходимой для формирования профилированного рассеивающего слоя, а также неизменяемость профиля пропускания аподизатора. Действительно, при постоянной по объему концентрации рассеивателей и поддерживающем эту концентрацию протоке среды через кювету, распределение частиц по объему кюветы, а следовательно, и профиль пропускания аподизатора не изменяются.

Задачей данного изобретения является создание аподизатора для пучка лазерного излучения со сглаженной функцией пропускания, высокими значениями контраста и “фактора заполнения”, обеспечивающего аподизацию в широком спектральном диапазоне от ближней УФ до ИК области спектра, обладающего незначительным собственным поглощением проходящего излучения и допускающего при этом возможность перестройки функции пропускания. Изобретением предусматривается также упрощение конструкции аподизатора за счет исключения из конструкции сложных в изготовлении элементов асферической оптики.

Заявляемое техническое решение представляет собой аподизатор для пучка лазерного излучения с длиной волны λ и поперечным размером 2R на основе прозрачной для излучения среды с показателем преломления μ , содержащей сформированный в апертуре пучка по поперечным координатам 0≤ r≤ R, 0≤ ϕ ≤ 2π и по направлению оси распространения пучка z слой, состоящий из упорядоченно движущихся в апертуре пучка, симметрично относительно его оси, рассеивающих излучение частиц j видов (j=1, 2) с концентрациями m_j (r, ϕ , z), с показателями преломления n_j ≠ μ и с радиусами ρ _j, λ ≤ ρ _j<<R, причем ослабление излучения слоем нарастает, а профиль пропускания слоя Т(r) спадает от оси пучка к его периферии.

Предлагаемый аподизатор может быть сформирован в неограниченном стенками потоке газа или жидкости, в который вводятся упорядоченно движущиеся в апертуре пучка микрочастицы, создающие светорассеивающий слой с переменным по сечению лазерного пучка пропусканием. Заявляемое техническое решение может быть реализовано и на основе кювет, заполненных средой (газом, жидкостью), содержащей движущиеся микрочастицы, которые формируют светорассеивающий слой. Кювета может содержать профилированный по толщине слой среды с движущимися частицами. Может быть также реализован аподизатор на основе кюветы с плоскопараллельными окнами с постоянным по толщине слоем среды. В этом случае профиль пропускания может формироваться за счет переменной по сечению кюветы концентрации движущихся рассеивающих частиц. При изменении параметров движения рассеивающих частиц или их состава может производиться перестройка профиля пропускания аподизатора.

Для пояснения сущности заявляемого технического решения и его количественной характеристики рассмотрим примеры аподизаторов с перестраиваемым профилем пропускания на основе кювет с движущимися, рассеивающими лазерное излучение частицами. Для описания движения частиц в кювете введем следующие обозначения:

R - радиус кюветы (пучка);

r - “текущий” радиус;

ϕ - азимутальный угол;

L - длина кюветы;

j - индекс сорта частиц, j=1, 2...

ρ _j - радиус частиц j-го сорта;

d_j - плотность частиц j-го сорта;

М_j - масса частицы;

d₀ - плотность среды;

η - коэффициент вязкости среды;

m_j-концентрация частиц j-го сорта;

ω =dϕ /dt - угловая скорость вращения кюветы;

Т - температура среды в кювете;

k - постоянная Больцмана.

Возможны различные технические решения, позволяющие организовать упорядоченное движение частиц так, чтобы сформировать сглаженную функцию пропускания в кювете. Можно несколькими способами вводить частицы в среду, организуя их симметричное относительно оси пучка движение в кювете по различным траекториям. Например, для кюветы, заполненной потоком газа, движущимся симметрично вдоль оси пучка z со скоростью v_z, сглаживание профиля пропускания можно получить при симметричном по ϕ введении частиц по нормали к оси z и к стенке кюветы со скоростями v_r. Можно использовать при этом известную зависимость силы сопротивления среды перемещению сферических частиц, F_j от радиуса частиц ρ _j (формула Стокса): F_j=6π η ρ _jv_r. Как показывает расчет, необходимые для формирования гладкого профиля пропускания распределения частиц по радиусу можно получить в движущемся вдоль z потоке среды при введении частиц различного радиуса с одинаковыми по величине начальными скоростями v_r. Перестраивать такой профиль возможно при изменениях скоростей ввода и состава частиц.

Ниже рассматривается пример, где для формирования профиля используется центробежная сила, воздействующая на частицы. Симметричный относительно оси пучка рассеивающий слой может быть создан за счет вращения кюветы как целого вместе с рабочей средой вокруг оси z.

Пример 1. Кювета заполнена прозрачной средой с рассеивающими лазерное излучение частицами и вращается вокруг оси z с угловой скоростью ω . Будем считать, что частицы-микросферы с радиусом ρ _j, плотностью d_j, массой М_j “взвешены” в среде с плотностью d₀, причем d_j>d₀. Для частиц небольших размеров ρ _j ≥ λ , где λ ≅ 1μ , находящихся в поле центробежных сил при тепловом равновесии с окружающей средой, справедливо больцмановское распределение концентрации частиц по радиусу [22], которое с учетом разности плотностей частиц и среды Δ d_j=d_j-d₀ можно записать в виде

где А_j=2π /3kТ·Δd_jρ3j

R² - коэффициент, а m0j - начальная (равномерная) концентрация частиц сорта j в кювете. Принимая сечение рассеяния 2π ρ 2j, для показателя γ (r) получаем

При этом выражение для профиля пропускания кюветы длиной L и заполненной частицами сорта j принимает вид

где m_j(r) определяется выражением (3)

На чертеже и в таблице представлены расчетные данные для вращающейся с угловой скоростью ω кюветы-аподизатора. Кривые (1-5) пропускания кюветы Т(r) получены при следующих фиксированных значениях параметров: Т=300К, L=5 см, R=5 см, Δ d=10^-4 г/см³ и переменных значениях радиусов частиц и угловой скорости вращения кюветы. Из сопоставления на чертеже кривых 1-3 можно увидеть, как происходит перестройка профиля пропускания кюветы, заполненной частицами одного сорта (ρ ₁=5 мкм, m01

=10⁴ см^-3), в зависимости от угловой скорости вращения ω . С ростом угловой скорости профиль, как и следовало ожидать, становится “жестче”, ближе к прямоугольному профилю пропускания. Кривые 4-5 иллюстрируют возможность перестройки профиля при изменении размеров частиц (ρ ₁=5 μ , ρ ₂=10 μ , m₀=5· 10³ см^-3) при постоянной угловой скорости. Расчетные значения контраста для рассмотренных случаев составляют К≥ 10⁵. Поддерживая после перестройки неизменными размеры частиц, их концентрацию и угловую скорость вращения кюветы, можно зафиксировать оптические характеристики полученного аподизатора.

Оценки показывают, что для рассмотренных примеров можно пренебречь влиянием на форму профиля аподизатора гравитационного осаждения частиц, а также толщиной слоя частиц, оказавшихся на стенках кюветы.

Таким образом, приведенные примеры показывают возможность создания на основе кювет с движущимися рассеивающими излучение микрочастицами аподизаторов с перестраиваемой функцией пропускания, высокими значениями контраста и “фактора заполнения” апертуры лазерного пучка. Использование в качестве рабочей среды прозрачных для лазерного излучения жидкостей и газов, а также прозрачных рассевающих частиц создает возможность применения аподизаторов в широком спектральном диапазоне от УФ до ИК областей спектра. Малое собственное поглощение излучения повышает стойкость аподизаторов к лучевым нагрузкам и обеспечивает возможность использования их с лазерами импульсно-периодического и непрерывного режимов работы. Одним из возможных интересных применений аподизатора является формирование его непосредственно в усиливающей излучение активной среде лазерной установки. Такая реализация перестраиваемого аподизатора может представлять интерес, например, для оптического тракта мощных технологических газовых лазеров.

Литература

1. Baranova N.B., Bykovsky N.E., Zel’dovich B.Ya., Senatsky Yu.V. "Diffraction and selffocusing of the radiation in a high-power light pulse amplifier", Kvantovaya Elektronika (Moscow), v.1, № 11, p.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. Nolen R.L.,Jr., Siebert L.D. "High power laser apodizer", US Patent №4017164 (1977).

4. Vinogradsky L.M., Sobolev S.K., Senatsky Yu.V. et al. "Development of the nonlinear optical element for light beam apodization and large aperture laser amplifier decoupling", Preprint FIAN, Moscow (1998); Патент РФ № 2177666 (1998).

5. Сенатский Ю.В., Виноградский Л.М. и др. "Мягкая диафрагма для лазеров", Патент РФ №2157034 (1998).

6. Vinogradsky L.M., Senatsky Yu.V., Ueda K. et al. "Soft diaphragms for apodization of powerful laser beams", Proc.SPIE, vol.3889, pp.849-860 (2000).

7. Lukishova S.G., Krasiuk I.K., Pashinin P.P.et.al. "Light beam apodization as the method for increased brightness of a Nd-glass laser system", Trudy IOFAN, №7, p.92-147 (1987).

8. Mak A.A. et al. "Nd-glass lasers", Moscow, "Nauka" Publ.House, 1990.

9. Потапова Н.И., Цветков А.Д. “Дифракция Френеля на стеклянных аподизирующих диафрагмах с супергауссовой функцией пропускания” Квант. электроника 15, 10, 2059 (1988).

10. Потапова Н.И., Цветков А.Д. “Аподизация лазерного излучения фазовыми диафрагмами” Квант. электроника 19, 5, 460-464 (1992).

11. Van Worterghen B.M. et al. "Performance of a prototype for a large-aperture multipass Nd:glass laser for inertial confinement fusion", Appl.Opt. 36, №21, p.4932-4953 (1997).

12. Summers M.A., Hagen W.F., Boyd R.D. "Scattering apodizer for laser beams", US Patent №4537 475 (1985).

13. Rizvi N., Rodkiss D., Panson C. "Apodizer development", Rutherford Appleton Lab., Ann.rep., -87-041, p.113-114 (1987).

14. Zubarev I.G., Pyatakhin M.V., Senatsky Yu.V. "Method for the soft diaphragm formation", Patent of the Russian Federation, №2140695 (1998).

15. Zavalov Yu.N., Kudryashov A.V. et al. "Formation of a specified intensity distribution of the radiation from an industrial cw СО₂ laser", Kvant.Electr., v.29, (4), p.339-340 (1999).

16. Вдовин Г.В., Четкий С.А. “Активная коррекция тепловой линзы твердотельного лазера”. “Квантовая электроника” 20, 2, 167-171 (1993).

17. Kolerov A.N., Epikhina G.E. "The dispersive two-phase media for laser radiation parameter control", Kvantovaya Elektronika, v.l6, № 9, p.l841-1843 (1989).

18. Kolerov A.N. "Laser with a colloid solution active medium", Kvantovaya Elektronika, v.l6, № 5, p.955-957 (1989).

19. Терновский И.Г., Кутепов А.М. “Гидроциклонирование”. - М.: Наука. (1994).

20. Шкоропад Д.Е. "Центрифуги и сепараторы для химических производств”. - М.: Химия (1987).

21. Сенатский Ю.В. "Мягкая диафрагма для лазеров" Патент РФ № 2163386.

22. Ландау Л.Д. и Лифшиц Е.М. "Статистическая физика". - М.: Наука, 1964.

Использование: в лазерной оптике, при работе с твердотельными и газовыми лазерами, применяемыми в лазерной технологии, лазерной медицине, в научных исследованиях. Сущность изобретения: аподизатор для пучка лазерного излучения с длиной волны λ и поперечным размером 2R, R - радиус пучка, на основе прозрачной для излучения среды с показателем преломления μ содержит сформированный в апертуре пучка по поперечным координатам 0≤ r≤ R, 0≤ ϕ ≤ 2π и по направлению оси распространения пучка z слой, состоящий из рассеивающих излучение частиц с концентрацией m, с показателем преломления n≠ μ и с радиусами ρ , λ ≤ ρ <<R, причем профиль пропускания излучения слоем Т (r) спадает от оси пучка к его периферии. Слой сформирован из движущихся упорядоченно в апертуре пучка, симметрично относительно его оси в координатах r, ϕ , z частиц j видов (j=1, 2... ) с радиусами ρ_j, с концентрациями m_j(r, ϕ , z) и показателями преломления n_j, причем λ ≤ ρ_j<<R и n_j≠μ_{. Среда с частицами может протекать в виде симметричного относительно оси лазерного пучка потока через кювету. Техническим результатом изобретения является создание аподизатора для пучка лазерного излучения со сглаженной функцией пропускания, высокими значениями контраста и "фактора заполнения", обеспечивающего аподизацию в широком спектральном диапазоне, обладающего незначительным собственным поглощением проходящего излучения и допускающего при этом возможность перестройки функции пропускания. 3 з.п. ф-лы, 1 ил., 1 табл.}

1. Аподизатор для пучка лазерного излучения с длиной волны λ и поперечным размером 2R, R - радиус пучка, на основе прозрачной для излучения среды с показателем преломления μ, содержащей сформированный в апертуре пучка по поперечным координатам 0≤r≤R, 0≤ϕ≤2π и по направлению оси распространения пучка z слой, состоящий из рассеивающих излучение частиц с концентрацией m, с показателем преломления n≠μ и с радиусами ρ, λ≤ρ<<R, причем профиль пропускания излучения слоем Т(r) спадает от оси пучка к его периферии, отличающийся тем, что слой сформирован из движущихся упорядоченно в апертуре пучка, симметрично относительно его оси в координатах r, ϕ, z частиц j видов (j=1, 2...) с радиусами ρ_j, с концентрациями m_j(r, ϕ, z) и показателями преломления n_j, причем λ≤ρ_j<<R и n_j ≠ μ.2. Аподизатор по п.1, отличающийся тем, что среда с частицами протекает в виде симметричного относительно оси лазерного пучка потока через кювету.3. Аподизатор по п.1, отличающийся тем, что среда и частицы с плотностью d_j>d₀, где d₀ - плотность среды, заключены в кювету с окнами, прозрачными для лазерного излучения, и вращаются вместе с кюветой вокруг оси лазерного пучка с угловой скоростью dϕ/dt=ω.4. Аподизатор по п.1, отличающийся тем, что прозрачная среда усиливает лазерное излучение.