СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ МЯГКОЙ ДИАФРАГМЫ Российский патент 2011 года по МПК H01S3/10 G02B27/58 

Изобретение относится к аподизирующей оптике. Оно может использоваться при работе с интенсивными лазерами, используемыми в технологических процессах, в научных исследованиях, в установках с применением мощных источников света, в установках для проведения работ по лазерному термоядерному синтезу и т.д.

Формирование мягкой диафрагмы для аподизации световых пучков заключается в следующем. Обычно пучок светового потока в своем сечении обладает неравномерностью интенсивности, френелевской дифракционной расходимостью, наличием модовой структуры в пучке света и др. Применяются различные способы и устройства для получения в сечении лазерного пучка, однородного по интенсивности или подчиняющегося определенному (заданному) закону пространственного распределения интенсивности света. Для этой цели используется виньетирование периферийных зон пучка, с применением оптических элементов с переменной вдоль их радиуса оптической толщиной (или коэффициента отражения), с использованием нелинейных поглощающих фильтров и т.д. В технической литературе такие элементы получили название «мягкие аподизирующие диафрагмы» (МАД), представляющие интерес для лазерных и обычных источников излучения [1-2]. Их использование оказывает позитивное влияние на улучшение пространственных характеристик потока излучения (например, происходит увеличение яркости и однородности интенсивности светового пучка в своем сечении). Распределение интенсивности в сечении светового потока подчиняется закону: J®=Jexp[-(r\r°)ⁿ] при n=5-10, причем величина r° выбирается из условия J^R=10^-3J, где 2R входная апертура МАД. Считается, что при соблюдении такого условия достигается оптимальное заполнение апертуры светового пучка по его сечению.

Существует способ, в котором использование оптических элементов сказывается на ограничении размера светового потока. Для этого используются жесткие оптически непрозрачные диафрагмы, обрезающие крайние зоны световых пучков и снижающие влияние модовой структуры пучка света [2]. Однако введение в световой пучок ограничивающих оптических элементов сказывается на дифракции, ухудшающей угловую расходимость светового потока.

Описывается способ мягкого ограничения периферийных зон световых потоков за счет использования оптических элементов с меняющимся спектральным коэффициентом отражения вдоль радиуса светового потока [3]. Однако этот способ требует использования специальных технологий нанесения спектрально отражающих материалов вдоль одной из координат лазерного зеркала, для которых спектральный коэффициент отражения меняется от центра зеркала к его периферии.

Близким по технической сути является способ формирования мягкой диафрагмы на основе прозрачной диэлектрической пластины для аподизации световых пучков в ближнем ультрафиолетовом, видимом или ближнем инфракрасном диапазоне длин волн, заключающийся в том, что в апертуре диэлектрической пластины с характерным размером и толщиной 1 создают рассеивающую, отражающую или поглощающую излучение зону, шириной Δ_r, состоящую из дискретных ячеек с контролируемыми формой и размерами Δ_rc., которые расположены на поверхности или объеме пластины в соответствии с заданным профилем пропускания диафрагмы Т(r) [4]. При этом суммарное удельное эффективное поперечное сечение этих ячеек, определяющих диссипацию энергии пучка излучения, нарастает от оси к краю пластины по закону σ_(r)~J-T(r), а размеры отдельных ячеек связаны с глубиной обработки диэлектрической пластины Δ₁ и с расстоянием L_min до границы области формирования гладкого распределения интенсивности в пучке излучения.

Способ, выбранный в качестве прототипа, обладает следующими недостатками:

- создание ячеек диссипации на поверхности или объеме диэлектрической пластины, в соответствии с заданным профилем пропускания, может осуществляться только один раз в используемой пластине и не может изменяться во время эксплуатации;

- использование пластины с ячейками диссипации в ультрафиолетовом, видимом и инфракрасном диапазоне сопряжено с искажением профиля удельного эффективного поперечного сечения пропускания в зависимости от используемого спектрального диапазона, что сказывается на изменении формы гладкого распределения интенсивности в световом пучке;

- используемый закон распределения ячеек диссипации σ_(к)~J-T(r) в диэлектрической пластине может быть использован только при формировании гладкого распределения интенсивности осесимметричных световых потоков, а для пучков света с другой формой будут вноситься искажения. Например, для потоков излучения после цилиндрической линзы или других оптических элементов, изменяющих пространственную форму светового потока за счет дифракции, дисторсии, влияния дисперсии и других искажающих поток, факторов;

- применение мягкой диафрагмы, изготовленной по предлагаемому в прототипе способу, для высокоинтенсивных световых потоков будет неизменно связано с процессом разрушения и деструкцией границ ячеек, что сказывается на удельном эффективном поперечнике пропускания и потребует постоянного контроля характеристик диафрагмы при ее эксплуатации.

Задачей предлагаемого способа является изменение во время эксплуатации характеристик пропускания мягкой диафрагмы, снижение ее себестоимости и увеличение эффективного использования для лазерных источников света в широком диапазоне длин волн и интенсивностей потоков излучения.

Это достигается за счет того, что в мягкой диафрагме зоны диссипации (дискретные ячейки) для лазерного светового потока формируются поперек пути его распространения из спектрально поглощающих материалов (углеродные наноматериалы: фуллерены, нанотрубки и др.), положение и концентрация которых меняются в радиальном направлении, относительно распространения светового потока, за счет изменения скорости протока жидкой смеси (коллоидной смеси) с поглощающими наноматериалами в тангенциальной кювете, обеспечивающей радиальное изменение спектрального коэффициента поглощения и влияющего на пространственную интенсивность в сечении светового пучка.

Зона диссипации, в которой формируется радиальное изменение коэффициента пропускания для светового потока, задается тангенциальным характером протока коллоидной смеси через кювету. Коллоидная смесь состоит из оптически прозрачной жидкости с добавками углеродных наноматериалов, с помощью гидропомпы прокачивается через кювету в направлении по касательной к ее боковой поверхности. Это обеспечивает тангенциальный (винтовой) характер протока коллоидной смеси через кювету, возникновение центробежной силы, отклоняющей наноматериалы к боковым стенкам кюветы, и плавное радиальное изменение коэффициента пропускания для светового потока.

Последнее позволяет практически исключить влияние модовой структуры лазерного потока и френелевской дифракции на формирование волновых фронтов распространяющегося светового потока лазерного излучения.

Для расширения спектрального интервала работы мягкой диафрагмы в качестве поглощающих материалов предлагается использовать углеродные наноматериалы. Как известно углерод и его смеси, хорошо поглощают излучение в УФ, видимом, ИК и субмиллиметровом диапазонах (имеются сообщения, что его применение в ВЧ- и СВЧ-диапазонах имеет хорошо выраженные спектральные интервалы, поглощающие электромагнитное излучение), поэтому применение углеродных наноматериалов в качестве мягких диафрагм имеет хорошую перспективу на применение в качестве технических элементов. Поэтому искажение профиля поперечного сечения поглощения (пропускания) с применением таких материалов практически исключается, в отличие от прототипа.

Форма гладкого распределения коэффициента пропускания в поперечном сечении светового пучка излучения, как это отражено в прототипе, не будет искажаться из-за разрушения и деструкции поглощающих ячеек поглощения вследствие их постоянного воспроизводства (доставки) поглощающих ячеек потоком протекающей коллоидной смеси в кювете к зоне взаимодействия с лазерным световым потоком.

Следует заметить, что предлагаемый способ формирования мягких диафрагм позволит готовить их с достаточно большими геометрическими размерами. А это позволит решить задачу работы с лазерными пучками, обладающими большой апертурой светового потока, что важно для силовых лазерных установок с большой интенсивностью потока излучения.

Возможно изготовление и других, универсальных элементов с использованием углеродных наноматериалов, выполняющих одновременно несколько функций: влияние на временные и пространственные характеристики лазерного света. Это объясняется тем, что углеродные наноматериалы, кроме использования для МАД, обладая нелинейными свойствами, могут служить модуляторами для лазерных источников излучения [5-7].

Теперь следует остановиться на стоимости изготовляемых устройств. Углерод и его соединения относится к наиболее распространенным материалам на нашей планете, поэтому вопрос о наличии сырья для изготовления МАД не дискутируется. Вопрос себестоимости МАД, в большей степени, будет определяться используемой технологией приготовления элементов.

Изобретение поясняется чертежом, на котором приведена возможная схема технического устройства для осуществления предлагаемого способа формирования мягкой диафрагиы в лазерной установке. Здесь 1 и 2 зеркала лазерного резонатора, 3 - лазерноактивная среда, 4 - источник лампового (или лазерного) возбуждения лазерноактивной среды, 5 - тангенциальная кювета с коллоидной смесью поглощающих материалов, 6 - гидропомпа, 7 - резервуар для размещения (или воспризводства) коллоидной смеси, 8 и 9 - системы для контроля временных и пространственных характеристик лазерного потока излучения, 10 - котировочный He-Ne лазер, предназначенный для настройки элементов установки.

Устройство работает следующим образом. Элементы установки 1-5 с помощью юстировочного лазера 10 устанавливаются вдоль оптической оси, юстируются и приводятся в рабочее состояние. Затем приготовленная коллоидная смесь заливается в резервуар 7 и с помощью гидропомпы 6 прокачивается через кювету 5, установленную в лазерном резонаторе 1-4, которая обеспечивает тангенциальный характер тока коллоидной смеси (за счет изменения расхода или давления). Затем, включив лазерную установку (1-4), осуществляют режим генерации импульса излучения, контролируя системами 8 и 9 временные и пространственные характеристики лазерного светового потока излучения. Проток коллоидной смеси через лазерный резонатор 1-4 осуществляется либо после каждого импульса, либо при постоянно включенной гидропомпе 6. При этом может изменяться либо размер используемой кюветы (для лазерных пучков разного диаметра), либо скорость прокачки коллоидной смеси. Это обеспечивает изменение размера лазерного пучка или формирование поперечного профиля коэффициента пропускания, определяемого условиями эксперимента.

Расположение кюветы с тангенциальным протоком коллоидного раствора, сформированного из водоспиртового раствора с добавками углеродных наноматериалов, в резонаторе приводило к следующему. Лазерная генерация сопровождалась изменением временных характеристик импульса генерации (наблюдались череда генерационных импульсов короткой длительности - от 10 до 100 нсек), а форма лазерного пятна, фиксируемая с помощью термобумаги, уменьшалась (на 10-30%) по отношению к размеру пятна, регистрируемого без тангенциального протока коллоидной смеси через кювету. Изменение концентрации наноматериала в коллоидном растворе и скорость его прокачки через кювету оказывали влияние на размер лазерного пятна, фиксируемого термобумагой. Т.е. периферийные зоны лазерного пучка испытывают большее поглощение (размер лазерного пятна на термобумаге уменьшается), что свидетельствует о положительном эффекте от применения мягкой диафрагмы, сформированной по предлагаемому способу. Это происходило за счет меняющейся центробежной силы на УНТ при тангенциальном характере тока раствора в кювете. Последнее подтверждает изменение радиального профиля пропускания в сечении кюветы с тангенциальным током коллоидного раствора. Т.е. она вела себя аналогично «мягкой» (аподизирующей) диафрагме.

Отметим наиболее важные характеристики предлагаемого способа формирования мягкой диафрагмы и возможного устройства на его основе:

- подбором поглощающих материалов и изменением скорости прокачки коллоидной смеси через тангенциальную кювету можно управлять характеристиками потока лазерного излучения

- возможно одновременное или комбинированное применение коллоидной смеси в тангенциальной кювете для управления временными или пространственными характеристиками потока лазерного.

Источники информации

1. Лукишова С.Г., Красюк И.К. и др. Формирование и контроль оптических волновых фронтов./ Под ред. П.П.Пашинина, М.: Наука, 1987, с.92.

2. Дж.Рэди. Действие мощного лазерного излучения, М., Мир, 1974, 408 с.

3. Laviene P., McCarthy, Demars J.G. Appl. Optics, 24, 2581, (1985).

4. Патент РФ №2140695 - (прототип).

5. Il'ichev N.N. et. al., Quantum Electr., 34, 572, (2004).

6. Garnov S.V. et. al., Lasers Physics Leters, 4, 648, (2007).

7. Tausenev A.V. et. al., Appl. Lett., 171113 (2008).

Способ заключается в создании диссипационных дискретных ячеек с контролируемой формой и размером, расположенных в соответствии с заданным профилем пропускания диафрагмы. При этом используют тангенциальную кювету, заполненную коллоидной смесью жидкости с поглощающими углеродными наноматериалами, которые прокачиваются гидропомпой через кювету, установленную соосно с направлением распространения света. Коллоидная смесь в тангенциальной кювете может представлять собой гидрозоль из щелочногаллоидных кристаллов с центрами окраски и поглощающими углеродными наноматериалами. Технический результат заключается в обеспечении возможности изменения характеристик пропускания мягкой диафрагмы во время эксплуатации в широком диапазоне волн и интенсивностей лазерного излучения. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ формирования мягкой диафрагмы, заключающийся в создании диссипационных дискретных ячеек с контролируемой формой и размером, расположенных в соответствии с заданным профилем пропускания диафрагмы, отличающийся тем, что используют тангенциальную кювету, заполненную коллоидной смесью жидкости с поглощающими углеродными наноматериалами, которые прокачиваются гидропомпой через кювету, установленную соосно с направлением распространения света.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что коллоидная смесь в тангенциальной кювете представляет собой гидрозоль из щелочногаллоидных кристаллов с центрами окраски и поглощающими углеродными наноматериалами.