СПОСОБ ОДНОВРЕМЕННОГО КОНТРОЛЯ ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ОДНОГО ИЛИ НЕСКОЛЬКИХ СВЕРХКОРОТКИХ ИМПУЛЬСОВ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА ПОВЕРХНОСТИ ПЛОСКОЙ МИШЕНИ
METHOD FOR SIMULTANEOUS MONITORING OF SPACE-TIME CHARACTERISTICS OF ONE OR MORE ULTRASHORT LASER RADIATION PULSES ON THE SURFACE OF A FLAT TARGET

Изобретение относится к области оптоэлектроники, в частности к способам контроля характеристик импульсного лазерного излучения при его взаимодействии с веществом мишени, конкретно, к способам контроля пространственно - временных характеристик сверхкоротких (пико- и фемтосекундных) лазерных импульсов с использованием высокоскоростной стрик-камеры.
Изобретение может применяться в многоканальных лазерных установках, где излучение от нескольких лазерных каналов сводится на плоскую мишень, а также в одноканальных лазерных установках, где лазерные импульсы имеют разброс друг относительно друга одновременно и во времени и в пространстве.
Изобретение может быть использовано для проведения исследований в области взаимодействия лазерного излучения с веществом, в т.ч. лазерного термоядерного синтеза, изучения откольных явлений, составления уравнений состояния вещества, и т.п.
Одной из актуальных задач, связанных с исследованиями в области взаимодействия лазерного излучения с веществом, является прецизионное управление процессом падения сверхкоротких лазерных импульсов от одного или нескольких источников на поверхность плоской мишени. Для этого необходимо одновременно и с высокой точностью регистрировать как время прихода каждого импульса к поверхности мишени, так и их взаимное пространственное расположение.
Известен способ контроля пространственно-временных характеристик сверхкоротких лазерных импульсов на поверхности плоской мишени, основанный на использовании высокоскоростной стрик-камеры с субпикосекундным временным разрешением [J. Kuba, R. Shepherd, R. Booth, R. Stewart, E. C. W. Lee, P. Audebert, J. K. Crane, R. R. Cross, P. T. Springer "Sub-picosecond Streak Camera Measurements at LLNL: From IR to X-rays", 2003, LLNL Preprint UCRL-CONF-201645]. Данный способ оптимизирован для использования в качестве источника сверхкоротких лазерных импульсов рентгеновского лазера с длиной волны излучения порядка нескольких десятков нанометров и длительностью импульса порядка единиц пикосекунд. Пучок лазерного излучения фокусируется на поверхности плоской мишени, отражается от нее и попадает в объектив одной стрик-камеры. Стрик-камера работает в динамическом режиме, что позволяет регистрировать временные характеристики лазерного излучения. При этом часть пучка лазерного излучения отбирается делительной пластиной до попадания на мишень и также направляется в объектив стрик-камеры для получения референсных значений регистрируемых величин. Для контроля пространственных характеристик лазерного излучения камера переключается в статический режим.
К недостаткам данного способа можно отнести регистрацию импульсов, отраженных от мишени, в непосредственной близости к ее поверхности, что обусловлено сильной расходимостью рентгеновского излучения. Таким образом, не исключается влияние продуктов взаимодействия лазерного излучения с веществом на средства регистрации (стрик-камеру), что снижает достоверность контроля.
Известен способ контроля пространственно-временных характеристик сверхкоротких лазерных импульсов на поверхности плоской мишени, выбранный в качестве протопипа, основанный на использовании набора высокоскоростных стрик-камер с наносекундным и пикосекундным временным разрешением, а также транспортной оптической системы, доставляющей излучение от мишени к стрик-камерам, находящимся на существенном расстоянии от мишени, посредством гибких световодов [P. Datte, Р. Celliers, D. Kalantar, J. Moody, E. Bond, R. Hibbard, K. Krauter, J. Nelson, A. Warrick "Operational Experience with Optical Streak Cameras at the National Ignition Facility", 2013, Proc. of SPIE vol. 8850]. Лазерное излучение видимого или ближнего инфракрасного диапазона от одного или нескольких источников фокусируется на поверхности плоской мишени, отражается от нее и попадает в коллимационные линзы, установленные на торцах гибких световодов. Лазерное излучение транспортируется через световоды на расстояния до нескольких десятков метров к стрик-камерам, расположенным вне досягаемости продуктов взаимодействия лазерного излучения с веществом. Высокоскоростные стрик-камеры работают либо в статическом режиме для регистрации пространственных характеристик лазерного излучения, либо в динамическом режиме для регистрации временных характеристик лазерного излучения. Полученное изображение поверхности мишени состоит из фрагментов изображений поверхности, полученных с помощью соответствующей стрик-камеры в каждом из каналов регистрации на основе световодов. В отличие от ранее описанного способа контроля пространственно-временных характеристик сверхкоротких лазерных импульсов на поверхности плоской мишени, отдельного референсного сигнала не требуется ввиду достаточности регистрируемых данных для интерпретации результатов измерений.
К недостаткам данного способа можно отнести возможные ошибки измерений, связанные с отличием оптических характеристик каждого из световодов, применяемых для транспортировки лазерного излучения к стрик-камерам, и чувствительностью гибких световодов к механическому и тепловому воздействию. Также использование одновременно нескольких стрик-камер для регистрации пространственных и временных параметров лазерного излучения требует наличия дополнительной высокоточной системы синхронизации.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является разработка способа контроля пространственно-временных характеристик сверхкоротких лазерных импульсов на значительном расстоянии (до нескольких десятков метров) от поверхности плоской мишени через свободное пространство с сохранением возможности одновременной регистрации пространственных и временных характеристик импульсов, падающих на мишень, и высокой точности измерений.
Технический результат заключается в обеспечении высокой точности при одновременной регистрации пространственно-временных характеристик излучения сверхкоротких лазерных импульсов на значительном расстоянии от поверхности плоской мишени через свободное пространство.
Технический результат достижим за счет того, в отличие от известного способа одновременного контроля пространственно-временных характеристик одного или нескольких сверхкоротких импульсов лазерного излучения на поверхности плоской мишени, заключающегося в том, что один или более пучков лазерного излучения фокусируют на поверхность плоской мишени; транспортируют отраженное от поверхности мишени лазерное излучение к регистратору; контролируют пространственно-временные характеристики импульсов лазерного излучения по результатам регистрации отраженного от мишени лазерного излучения с помощью высокоскоростной стрик-камеры в качестве регистратора; при этом обеспечивают исключение влияния продуктов взаимодействия лазерного излучения с веществом мишени на регистратор; в предложенном способе регистрацию отраженного от мишени лазерного излучения обеспечивают посредством удаленной единой стрик - камеры; в процессе транспортировки отраженного от поверхности мишени лазерного излучения перед его регистрацией обеспечивают перестроение целостного изображения поверхности мишени на входную щель выбранной стрик - камеры; при этом транспортировка излучения до осуществления перестроения изображения поверхности мишени обеспечена в свободном пространстве на существенное расстояние; причем высокоскоростная стрик - камера функционирует попеременно в статическом и динамическом режимах, обеспечивая одновременную регистрацию как пространственных, так и временных характеристик сверхкоротких импульсов лазерного излучения.
Кроме того, способ контроля может отличаться тем, что обеспечивают управление пространственно-временными характеристиками импульсов лазерного излучения в соответствии с результатами обработки зарегистрированных данных, что позволит управлять процессом контроля.
Таким образом,
- в качестве регистратора используют единую стрик - камеру, что не требует дополнительной синхронизации, как в случае с несколькими стрик-камерами, которая усложняет процесс регистрации и может оказывать негативное влияние на точность регистрации;
- используют перестроение целостного изображения поверхности мишени на входную щель стрик-камеры, а не ее фрагментов, как в прототипе, что повышает точность регистрации;
- при этом транспортировка излучения, отраженного от поверхности мишени, до стрик-камеры осуществляется в свободном пространстве на существенные расстояния (до нескольких десятков метров), что позволяет избежать влияния продуктов взаимодействия лазерного излучения с веществом на стрик-камеру и тем самым повысить точность регистрации;
- сама стрик-камера выбрана так, что функционирует попеременно в статическом и динамическом режимах, обеспечивая одновременную регистрацию как пространственных, так и временных характеристик сверхкоротких лазерных импульсов в одних и тех же условиях, что опять же повышает точность регистрации.
Сущность изобретения поясняется чертежами:
На фиг. 1 изображена принципиальная схема контроля и управления пространственно-временными характеристиками сверхкоротких лазерных импульсов на поверхности плоской мишени при помощи стрик-камеры на примере двух лазерных пучков, реализующая заявляемый способ контроля пространственно-временных характеристик сверхкоротких лазерных импульсов на поверхности плоской мишени. Здесь 1 - лазерные пучки (пучки лазерного излучения - сверхкороткие импульсы лазерного излучения), 2 - плоская мишень, 3 - система перестроения изображения мишени, 4 - высокоскоростная стрик-камера, 5 - ПЗС-камера, 6 - система обработки информации, 7 - система управления линиями задержки и системами юстировки, 8 - управляемая линия задержки, 9 - управляемая система юстировки.
1
2
1
2
3
На фиг. 2 приведены параметры лазерных импульсов, регистрируемые при помощи стрик-камеры на примере двух лазерных пучков. Здесь s - расстояние между лазерными пучками, s - распределение интенсивностей лазерных пучков на мишени, t - временное расстояние между импульсами лазерного излучения в разных пучках, t - временное расстояние между импульсами лазерного излучения в одном пучке, t - временная форма импульсов лазерного излучения.
1
2
1
2
3
Лазерные пучки (или один пучок) 1, состоящие из одного или нескольких импульсов, в частности два, падают на поверхность плоской мишени 2. Отраженное лазерное излучение распространяется в свободном пространстве в направлении системы перестроения изображения 3, которая расположена таким образом, чтобы обеспечить попадание в ее апертуру максимального количества отраженного от мишени излучения. Система перестроения изображения 3, которая может быть реализована в виде набора линз, образующих объектив с требуемыми параметрами перестроения изображения, обеспечивает передачу изображения мишени на входную щель высокоскоростной стрик-камеры 4. Стрик-камера 4 работает в режиме переключения статического и динамического режимов. В статическом режиме изображение покидает камеру практически в неизменном виде с учетом корректировки яркости и контраста посредством электронно-оптического преобразователя камеры. В динамическом режиме стрик-камера развертывает лазерные импульсы во времени в виде хронограммы, которую регистрирует ПЗС-камера 5. ПЗС-камера 5 передает цифровое изображение импульсов, как в неизменном виде, так и развернутых во времени, в систему обработки информации 6. Система обработки информации 6 в зависимости от поставленной задачи передает требуемые сигналы системе управления линиями задержки и системами юстировки 7. Система управления линиями задержки и системами юстировки 7 способна контролировать параметры управляемых линий задержки 8 и управляемых систем юстировки 9. Результатом работы устройства, реализующего способ контроля пространственно-временных характеристик лазерных импульсов, является повышение точности и управление параметрами лазерных пучков, приведенных на фиг. 2: расстоянием между лазерными пучками s, распределением интенсивностей лазерных пучков на мишени s (в статическом режиме работы стрик-камеры), временным расстоянием между импульсами в разных пучках t, временным расстоянием между импульсами лазерного излучения в одном пучке t и временной формой импульсов t (в динамическом режиме работы стрик-камеры).
В ходе экспериментальной отработки устройства, реализующего заявляемый способ контроля пространственно-временных характеристик сверхкоротких (фемтосекундных) лазерных импульсов на стендовой базе предприятия-заявителя точность позиционирования пучков в пространстве составила не менее 50 мкм при расстоянии от 0,5 до 10 м от высокоскоростной стрик-камеры до мишени, а разрешение во времени - не хуже, чем 1,1 пс, что существенно превышает значения, приведенные для прототипа.