Способ измерения радиуса кривизны сферического волнового фронта гауссовых пучков импульсных лазеров Советский патент 1988 года по МПК G02F1/37 

Изобретение относится к области квантовой электроники и может быть использовано для создания контролиру™ емых пространственных конфигураций лазерных пучков, необходимых, напрн мер, при измерении нелинейных параметров оптических сред.

Известен способ измерения радиуса кривизны сферического волнового фронта лазерных пучков по минимизации в некоторой фиксированной плоскости поперечного размера пучка, прошедшего через фокусирукицую линзу, посредством плавной перестройки фокуса этой линзы. Минимальное пятно соответствует такой величине фокусного расстояния F, при которой центр волнового фронта сфокусированного пучка находится в фиксированной плоскости. По расстоянию от линзы до плоскости и величине F вычисляют радиус R кривизны исходного пучка. Точность измерения R данным способом определяется относительной точностью et, измерения поперечного размера пучка, которая обычно составляет 10%.

Недостатком способа является низкая точность измерения радиуса R,

. R

uR R характеризуемая параметром о

-iJ2ot 0,45, что сооти равная S ветствует минимально обнаруженному отклонению Л1 волнового фронта оТ плоского на радиусе, измеренному в длинах волн &1 /30.

Недостаточная точность обусло лена принципиальными трудностями определения размеров пятна, связанными с необходимостью фотометрирования интенсивности на фотопленке.

Наиболее близким к предложенному является способ измерения кривизны сферического волнового фронта гауссовых пучков импульсных лазеров, включаюощй формирование с помощью линзовой системы из исходного пучка сходящегося пучка, воздействие сходящимся пучком на нелинейную среду. В результате образуется область самофокусировки излучения в среде, причем по расстоянию от области самофокусировки до линзовой системы судят о кривизне волнового фронта.

Недостатком способа также является низкая точность определения кривизны волнового фронта, обусловленная

значительными размерами области самофокусировки для импульсных лазеров п сравнению с расстоянием этой области до линзовой системы.

Целью изобретения является повышение точности измерений.

Поставленная цель достигается тем что воздействие на нелинейную среду осуществляют при помощи импульса лазера в диапазоне от критической до двух критических мощностей самофокусировки в нелинейной среде, получают в выходной плоскости среды на гладко фоне светового пятна область самофокусировки пучка, после чего увеличивают длину нелинейной среды до исчезновения области самофокусировки и по полученной длине нелинейной среды и фокусному расстоянию линзовой системы определяют радиус кривизны волнвого фронта исходного пучка.

Сущность способа заключается в следукицем.

Для любого значения мощности пучка, лежащего в пределах б Р 2Р где Рцр- минимальная величина мощности, при которой наблюдается самофокусировка пучка, координаты точек самофокусировки вдоль направления распространения пучка составляют некоторую область. При этом дальняя граница области совпадает с центром кривизны входного пучка. Таким образом, расстояние L от входной плоскости среды до дальней границы области равно радиусу R кривизны волнового фронта пучка на входной плоскости среды (Rbx L/n )

Точность предлагаемого способа измерения радиуса R кривизны волнового фронта зависит от точности &L определения дальней границы области, связанной с конечным продольным размером нелинейного фокуса.

Эксперименты по изучению продольной структуры поля в точке самофокусировки в реальной среде (стекле) показали, что продольный размер нелинейного фокуса оказался достаточно узким ( 6 мм). Оказалось возможным в конкретных условиях эксперимента обеспечить точность измерения L не

хуже -: , что соответствует

1

значению параметра о ,01, при этом параметр ftl равен ul A/1200. Таким образом, экспериментально найдено, что точность измерения радиуса кривизны данным способом повышается. Существование самофокусировки в некотором сечении среды может быть установлено по характерному распределению поперечного профиля интенсив ности пучка. При исследовании поперечного профиля пучка нет необходимости в определении его размера путем фотометрирования распределения интенсивности; достаточно устано вить наличие характерной более узкой интенсивной области самофокусировки на гладком фоне пятна. В качестве нелинейной среды могут быть использованы вещества, в которых эффект самофокусировки достигается за время импульса при характерной для исследуемого излучения мощности, например керровские жидкости, прозрачные диэлектрики с электронной нелинейностью. Так как в действительности самофокусщювка пучка ограничивается некоторьм минимальным поперечньм размером, зависящим от конкретного меха низма ограничения поля в среде, то дальняя граница области самофокусировки находится несколько ближе к входу в нелинейную среду, чем центр кривизны волнового фронта пучка.Это систематическая ошибка и она может быть для известной конфигурации пучка в среде учтена при определении радиуса кривизны, что позволяет повысить точность измерений. Поскольку на практике всегда используется нелинейная среда конечной длины, то целесообразно расстояние L от входной плоскости среды до дальней границы области самофокусировки выбрать равным длине среды. При этом совмещение дальней границы области самофокусировки с выходной плоскость среды осуществлять путем подбора дли ны образцов. В этом случае для вычис дения радиуса кривизны исходного пучка расстояние L берется равным длине нелинейной среды, при которой дальняя граница области самофокуси114 ровки совмещена с выходной плоскостью среды, а величина F равна фокусному расстоянию линзовой системы. При этом радиус кривизны R вычисляется по формуле R к(п/Ь - 1/F )3, где п-показатель преломления нелинейной среды; коэффициент увеличения диаметра пучка линзовой системой. На чертеже приведенасхема устройства, реализующего данный способ. Устройство содержит установленные последовательно фокусирующую линзовую систему 1, например телеобъектив из двух линз, нелинейную среду 2, например стержень из лазерного стекла ГЛС-1, линзу 3 и фотопленку 4. При этом линзовая система I расположена непосредственно перед входной плоскостью среды 2, а линза 3 расположена между средой 2 и фотопленкой, так что выходной торец 5 среды 2 проецируется на фотопленку 4. В качестве источника излучения (не чертеже не показан) служит неодимовый лазер с длиной волны А 1,06 мкм. Сплошными линиями показан ход лучей в устройстве, пунктирными линиями волновой фронт пучка. При использоваНИИ исследуемого пучка радиусом а 1,84 мм и мощностью в импульсе (3,) МВт при 3,3 МВт быпи получены следующие результаты. Минимально допустимый размер пучка при Pjp , ограничиваемый пробоем, сос« 20 мкм, что соответтавляетствует отличию длины 4 и от R рх м нее, чем на 0,0t, L 630 мм, 6 мм, 5 0,01. Такая величина 5 позволяет у пучка с радиусом поперечного размера а 1,84 мм обнаружить радиус кривизны волнового фронта тйкс 2000 м. В данном конкретном случае получены величина R -183±17 м. В то же время при измерении этого же пучка способом-прототипом его радиус кривизны невозможно отличить от радиуса кривизны пучка с плоским фронтом, поскольку максимальный ра- диус, измеряемый способом-прототипом, ограничен величиной 45 м при том же а 1,84 мм.

СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ РАДИУСА .КРИВИЗНЫ СФЕРИЧЕСКОГО ВОЛНОВОГО ФРОНТА ГАУССОВЫХ ПУЧКОВ ИМПУЛЬСНЫХ ЛАЗЕРОВ, включающий формирование с помощью линзовой системы из исследуемого пучка сходящегося пучка, воздействие сходящимся пучком на нелинейную среду, о тлич ающийся тем, что, с целью повмпения точности измерений, воздействие на нелинейную среду осуществляют при помощи импульса лазера в диапазоне от критической до двух критических мощностей самофоку . сировки в нелинейной среде, после чего увеличивают длину нелинейной среды до исчезновения области самофокусировки и по полученной дпине нелинейной среды и фокусному расстоянию линзовой (Л системы определяют радиус кривизны волнового фронта исходного пучка.