УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЛУЧЕВОЙ ПРОЧНОСТИ ОПТИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ

Полезная модель относится к области квантовой электроники, в частности к лазерной технике, и может быть использована для исследования разрушения материала оптических элементов и их покрытий под воздействием мощного лазерного излучения.
Актуальной задачей большинства лазерных установок является получение максимальной выходной энергии лазерного излучения, которая, как правило, ограничивается стойкостью (лучевой прочностью) оптических элементов установки к воздействию мощного лазерного излучения. Точное знание лучевой прочности оптических элементов позволяет при проектировании лазерной установки рассчитать минимально допустимые размеры дорогостоящих оптических элементов и избежать их выхода из строя во время эксплуатации.
Известно устройство для определения лучевой прочности оптических элементов, включающее источник лазерного излучения, преобразователь излучения во вторую гармонику, формирователь апертуры пучка, длиннофокусную линзу [В.Н.Алексеев, М.Б.Свечников, В.Н.Чернов, "Разрушение многослойных диэлектрических покрытий лазерным импульсом наносекундной длительности", Квантовая электроника, 1985, т.12, №4. 1]. Устройство формирует лазерный импульс с формой пространственного профиля интенсивности, близкой к Гауссову.
К недостаткам данного устройства можно отнести необходимость проведения нескольких облучений исследуемого образца лазерными импульсами с разной энергией, а также большие габариты устройства, обусловленные применением длиннофокусной линзы.
Известно устройство для определения лучевой прочности оптических элементов, выбранное в качестве прототипа, включающее источник лазерного излучения, делитель лазерного излучения на несколько пучков, формирователь апертуры пучков, угловой селектор, ретранслятор изображения формирователя апертуры пучков на исследуемый образец, выполненный в виде линзы [Г.И.Бабаянц, С.Г.Гаранин, В.Г.Жупанов и др., "Разработка и исследование диэлектрических покрытий с высокой лучевой прочностью", Квантовая электроника, 2005, т.35, №7. 2]. Устройство формирует несколько разделенных в пространстве лазерных импульсов с разными интенсивностями и формой пространственных профилей интенсивности, близкой к Гауссову. Устройство позволяет определить лучевую прочность исследуемого образца при однократном облучении.
Недостатками данного устройства являются ограничение интенсивности лазерного излучения на исследуемом образце вследствие оптического пробоя воздуха при прохождении лазерного излучения через плоскость минимального пятна, расположенную после линзы ретранслятора, а также сильная зависимость габаритов устройства от апертуры формируемых пучков.
Техническим результатом полезной модели является создание компактного устройства, позволяющего исследовать образец при более высоких плотностях энергии импульсов лазерного излучения на облучаемой поверхности и больших апертурах пучков.
Этот технический результат в предлагаемом решении достигается тем, что полезная модель для определения лучевой прочности оптических элементов включает источник лазерного излучения, делитель лазерного излучения на несколько пучков, формирователь апертуры пучков, угловой селектор, ретранслятор изображения формирователя апертуры пучков на исследуемый образец в виде линзы. Новым в устройстве является то, что ретранслятор изображения формирователя апертуры пучков на исследуемый образец дополнен второй линзой, между линзами установлена вакуумная кювета с расположением плоскости минимального пятна внутри нее, причем в заднем фокусе первой по ходу распространения излучения линзы расположен угловой селектор.
Покажем, каким образом достигается указанный выше технический результат.
Перестроение изображения предмета собирающей линзой в общем случае связано с прохождением излучения через плоскость минимального пятна, в которой размер пучка меньше, а интенсивность больше, чем в плоскости перестроения изображения предмета. В этом случае уровень интенсивности излучения в плоскости перестроения изображения предмета ограничивается оптическим пробоем воздуха в плоскости минимального пятна. Постановка после линзы вакуумной кюветы, с расположением плоскости минимального пятна излучения внутри нее, позволяет избежать оптического пробоя воздуха и, следовательно, достичь большей интенсивности излучения в плоскости перестроения изображения предмета.
Проведение угловой селекции излучения посредством расположения углового селектора в дальней зоне - плоскости, расположенной на расстоянии, значительно превышающем размер формирователя апертуры пучка (в идеале бесконечность), приводит к сильному увеличению габаритов оптической схемы при формировании пучков большой апертуры. Известно, что сформировать распределение интенсивности излучения, эквивалентное распределению интенсивности в дальней зоне, можно в фокальной плоскости линзы. При этом угловой селектор размещают в этой плоскости. В данном случае расстояние от формирователя апертуры пучка до линзы не играет никакой роли, и с целью уменьшения габаритов оптической схемы, формирователь апертуры располагают непосредственно перед линзой. Для перестроения изображения формирователя апертуры пучка на исследуемый образец при таком методе селекции необходимо дополнительно установить в ретранслятор вторую линзу. Построенная таким образом схема селекции и перестроения изображения излучения позволяет увеличивать апертуру формируемых пучков без увеличения габаритов оптической схемы.
Использующая вышеназванные преимущества заявленная совокупность признаков, состоящая в дополнении ретранслятора изображения второй линзой с размещением вакуумной кюветы между линзами в плоскости минимального пятна при условии расположения в вакуумной кювете в заднем фокусе первой линзы углового селектора, позволит по сравнению с прототипом обеспечить исследования образца при более высоких плотностях энергии импульсов лазерного излучения на облучаемой поверхности и больших апертурах пучков в компактном варианте исполнения устройства.
На фиг. изображена схема предлагаемого устройства, где 1 - источник лазерного излучения, 2 - делитель лазерного излучения на несколько пучков, 3 - формирователь апертуры пучков, 4, 7 - линзы, 5 - угловой селектор, 6 - вакуумная кювета, 8 - исследуемый образец.
Работа предлагаемого устройства проводится следующим образом. Импульс лазерного излучения с заданным пространственным профилем интенсивности, например, Гауссовым, сформированный источником 1, проходит через делитель 2, который формирует несколько разделенных по апертуре лазерных пучков с разными интенсивностями. Затем, каждый пучок проходит через формирователь апертуры пучков 3. Делитель и формирователь апертуры пучков возможно выполнить в виде одного элемента, например, сетчатой диафрагмы. Далее, сформированные лазерные импульсы проходят через линзу 4, в фокусе которой в вакуумной кювете 6 располагается угловой селектор 5, и линзу 7. Линзами 4 и 7 (ретранслятор изображения формирователя апертуры пучков на исследуемый образец) изображение формирователя апертуры пучков перестраивается на исследуемый образец 8. Размер апертуры и форму пространственного профиля интенсивности (плотностей энергии) лазерных импульсов на исследуемом образце можно регулировать величиной угла селекции, размером апертуры пучков на выходе делителя и фокусными расстояниями линз 4 и 7.
В РФЯЦ-ВНИИЭФ создан лазерный стенд, на котором экспериментально подтверждена работоспособность данного устройства для определения лучевой прочности оптических элементов. Устройство по сравнению с прототипом выполнено в более компактном варианте и позволяет проводить измерение лучевой прочности образцов пучками большей апертуры и интенсивности.
Полезная модель найдет применение в метрологии, как устройство по определению лучевой прочности материалов под воздействием высокоинтенсивного лазерного излучения. Полезная модель может также найти применение в мощных многоканальных лазерных установках, как устройство формирования нескольких лазерных импульсов с заданным пространственным профилем интенсивности.