СПОСОБ НАСТРОЙКИ ЛАЗЕРНОГО КОМПРЕССОРА НА ПАРАЛЛЕЛЬНЫХ ДИФРАКЦИОННЫХ РЕШЕТКАХ И КОМПЛЕКС ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD FOR CONFIGURING A LASER COMPRESSOR ON PARALLEL DIFFRACTION GRATINGS AND SYSTEM FOR IMPLEMENTATION THEREOF

Изобретение относится к области лазерной фемтосекундной техники, в частности к способам настройки дисперсионных приборов с дифракционными решетками, способствующим развитию, например, способов контроля пространственно-угловых характеристик лазерного излучения, и может быть использовано для решения технических задач, где требуется обеспечение сжатия (компрессии) высокоэнергетичных чирпированных широкоапертурных лазерных импульсов наносекундной и субнаносекундной длительности до первоначальной длительности, в частности, в современных лазерных установках, предназначенных для исследований в области управляемого термоядерного синтеза и взаимодействия светового излучения с веществом.
Изобретение может применяться в мощных лазерных установках, использующих лазерные пучки больших размеров и фемтосекундной длительности импульса, где неточная юстировка взаимного положения решеток приводит к пространственно-временным искажениям лазерных импульсов. В частности, данное изобретение позволяет проверить настройку, либо изначально настроить компрессор фемтосекундных лазерных импульсов с высокой точностью, что скомпенсирует остаточную угловую дисперсию, сопровождаемую наклоном амплитудного фронта импульса. Итогом будет служить увеличение интенсивности облучения мишени.
Известен способ настройки компрессора чирпированных импульсов (лазерного компрессора) на параллельных дифракционных решетках для сверхмощных лазерных CPA (chirped pulse amplification, CPA) - систем [И.В. Яковлев «Особенности настройки компрессора чирпированных импульсов», «Квантовая электроника». 2012. 42, №11]. В данном способе предварительно направляют пучок лазерного излучения на вход лазерного компрессора и устанавливают первую дифракционную решетку под углом Литтрова к падающему пучку (в рабочее положение). О правильной установке судят по попаданию отраженного от решетки излучения в регистрирующую аппаратуру, состоящую из оптического коллиматора с ПЗС камерой, установленного на входе в схему лазерного компрессора. Далее заклоняют первую решетку на полученный численно угол относительно угла Литтрова. Затем обеспечивают введение в оптический тракт за второй дифракционной решеткой вспомогательного юстировочного оптического элемента параллельно первой дифракционной решетке и переносят оптический коллиматор с ПЗС камерой для регистрации отраженного от вспомогательного элемента излучения в соответствующую позицию. Заклоном второй решетки добиваются попадания излучения, отраженного от этой решетки, в оптический коллиматор, находящийся в новом положении. О настройке лазерного компрессора судят по параллельности пары дифракционных решеток, контроль которой производят по положению на ПЗС камере двух пучков: входящего рабочего и рабочего, прошедшего компрессор, отразившихся от обеих дифракционных решеток. Таким образом, используется поэтапная проверка и настройка каждой дифракционной решетки последовательно путем смены положения регистратора излучения.
К недостаткам данного способа можно отнести принципиальную сложность настройки дифракционных решеток компрессора на требуемый угол падения излучения на заданной длине волны в рамках одного постановочного эксперимента, так как требуется применение нескольких калиброванных между собой регистрирующих приборов, что приводит к накоплению погрешности настройки и делает невозможным проверку точности настройки компрессора в целом. В случае изменения длины волны или угла падения рабочего излучения в компрессор потребуется принципиальное изменение геометрии эксперимента, которое потребует изменения расположения аппаратуры регистрации, направления наблюдения, причем вплоть до невозможности использования в случае, когда компрессор размещен в металлическую вакуумную камеру либо пространство вокруг компрессора ограничено. Для высокой точности настройки параллельности дифракционных решеток по углу и пространству требуется постоянное, недвижимое расположение регистрирующей аппаратуры, что в случае прототипа недостижимо в условиях одного постановочного эксперимента.
Известно устройство (комплекс) настройки компрессора чирпированных импульсов (лазерного компрессора) на параллельных дифракционных решетках для сверхмощных лазерных CPA (chirped pulse amplification. CPA) - систем [И.В. Яковлев «Особенности настройки компрессора чирпированных импульсов», «Квантовая электроника», 2012, 42. №11]. Данный комплекс в рамках одного постановочного эксперимента состоит из вспомогательною юстировочного зеркала в качестве вспомогательного юстировочного оптического элемента, закрепленного параллельно первой решетке на оправе, обеспечивающей возможность его вбрасывания в оптический тракт: двух оптических коллиматоров с ПЗС камерон в качестве регистраторов излучений, отраженных от дифракционных решеток и юстировочного оптического элемента. Комплекс установлен в габаритной вакуумной камере компрессора.
При настройке каждый измеряемый параметр приходится смотреть отдельным регистрирующим прибором, при этом размещать его в разные положения и поворачивать решетки на другие, отличные от рабочего значения углы.
Недостаток комплекса-прототипа состоит в сложности его сборки в рамках одного постановочного эксперимента по настройке, связанной с необходимостью перемещения составляющих его устройств, а также необходимостью поворота решеток на большие углы, как при работе с заданной длины волны, так и, тем более, в случае изменения длины волны или угла падения рабочего излучения.
Технической проблемой, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является обеспечение удобной и качественной настройки лазерного компрессора на параллельных дифракционных решетках.
Технический результат для заявляемого способа настройки лазерного компрессора заключается в упрощении процесса контроля параллельности двух рабочих поверхностей решеток лазерного компрессора в рамках одной экспериментальной постановки без изменения положения ее инструментальной базы, приводящем к высокой точности настройки, а также существенному сокращению времени проверки настройки, как при работе с излучением одной заданной длины волны, так и при изменении угла падения рабочего излучения.
Технический результат для способа достижим за счет того, что в отличие от известного способа настройки лазерного компрессора на параллельных дифракционных решетках, заключающегося в том, что предварительно направляют пучок лазерного излучения на вход лазерного компрессора, установленного в рабочее положение; обеспечивают введение в оптический тракт за второй дифракционной решеткой из пары вспомогательного юстировочного оптического элемента параллельно первой дифракционной решетке; обеспечивают регистрацию лазерного излучения отраженного от поверхностей пары дифракционных решеток и вспомогательного юстировочного оптического элемента с помощью оптического коллиматора с ПЗС камерой; задавая угол заклона; о настройке лазерного компрессора судят по параллельности пары дифракционных решеток, контроль которой производят по положению на ПЗС камере двух пучков лазерного излучения - входящего рабочего и рабочего, прошедшего лазерный компрессор, отразившихся от пары дифракционных решеток; в предложенном способе регистрацию отраженного от всех дифракционных решеток лазерного излучения обеспечивают посредством единого оптического коллиматора с ПЗС камерой, установленного только на входе в компрессор; транспортировку отраженных от поверхностей решеток пучков лазерного излучения осуществляют посредством одного (или более) оптического элемента, направляющего их в единый оптический коллиматор с ПЗС камерой; при единой регистрации лазерного излучения по положению световых пятен на ПЗС камере оптического коллиматора определяют выставление угла заклона решеток в трех плоскостях относительно всех требуемых угловых параметров, таких как угол падения, угол дифракции требуемого порядка, угол автоколлимации и других требуемых углов для установки параллельности дифракционных решеток
Техническим результатом для комплекса является его простота за счет конструктивного упрощения постановки эксперимента по настройке, связанного с отсутствием необходимости многократного поворота решеток на большие углы и сменой положения регистраторов.
Технический результат для устройства достижим за счет того, что в отличие от известного комплекса для осуществления настройки лазерного компрессора на параллельных дифракционных решетках, состоящего из вспомогательного юстировочного зеркала в качестве вспомогательного юстировочного оптического элемента, закрепленного параллельно первой решетке на оправе, обеспечивающей возможность его вбрасывания в оптический тракт; оптического коллиматора с ПЗС камерой в качестве регистратора излучения; в предложенном комплексе коллиматор с ПЗС камерой установлен только на входе в компрессор и является единым регистратором лазерного излучения при настройке лазерного компрессора: для транспортировки отраженного от поверхностей решеток лазерного излучения и направления его в коллиматор использован комплект призм; при этом комплект призм состоит из неподвижной в процессе эксплуатации реперной призмы, установленной первоначально вне зоны распространения рабочего пучка лазерного излучения, и котировочной многогранной призмы на оправе, обеспечивающей возможность ее вбрасывания в оптический тракт в определенное положение, согласованное с реперной призмой так, чтобы по одной грани у них были параллельными: фан и многогранной призмы выполнены в размерах, достаточных для регистрации отраженных и прошедших пучков лазерного излучения приблизительно одинаковой интенсивности; причем углы наклона граней юстировочной призмы определяются всеми требуемыми для настройки компрессора углами отражения лазерного излучения от дифракционных решеток и вспомогательного юстировочного оптического элемента.
В известном способе, реализующем оптическую схему по настройке лазерного компрессора, используется поэтапная проверка и настройка каждой дифракционной решетки последовательно в каждой плоскости. При этом каждый измеряемый параметр нужно контролировать отдельным регистрирующим прибором, причем размещать его в разные положения и поворачивать решетки в другое отличное от рабочего положения место, что достаточно сложно. В результате, увеличенное количество итераций настройки прототипа требует длительного времени настройки и негативно сказывается на точности настройки. Предлагаемый способ позволяет упростить известный способ и уменьшить время для настройки компрессора за счет того, что регистратор излучения является единым, расположенным в определенном не изменяемом положении на входе в компрессор, и не требуется изменений положений дифракционной решетки для настройки параметров, и использованием многогранных приз в которых технологически зафиксированы необходимые углы. То есть, существенное сокращение времени проверки настройки связано с тем, что не приходится многократно менять место регистрирующей аппаратуры и поворачивать дифракционные решетки на вспомогательные углы для контроля промежуточной регистрации отраженных излучений, а в предложенном способе они регистрируются одновременно, и служит этому неподвижная юстировочная многогранная призма.
В прототипе отсутствуют реперные контрольные точки. Поэтому каждый раз при проверке настройки параллельности пары дифракционных решеток приходится повторять процедуру настройки с начала и до конца. В заявляемом способе единым коллиматором регистрируются пучки, отраженные от каждого оптического элемента компрессора отдельно. Поэтому в случае необходимости подстройки одного элемента, действия производятся только с ним, что упрощает процесс тонкой настройки и корректировки оптической системы.
Главным отличием от известного комплекса является то, что предлагается комплекс для настройки лазерного компрессора, который позволяет контролировать несколько параметров конфигурации лазерного компрессора одновременно. Это обеспечено тем. что, прежде всего, коллиматор с ПЗС камерой и объективом установлен только на входе в компрессор и является единым регистратором излучения при настройке лазерного компрессора. Особенности транспортировки отраженного от поверхностей дифракционных решеток лазерного излучения и направления его в коллиматор, обеспечены комплектом призм реперной и многогранной. Условия выбора призм следующие. Реперная призма является неподвижной в процессе эксплуатации и установлена она первоначально вне зоны распространения рабочего лазерного пучка. Для многогранной призмы грани выполнены в размерах, достаточных для регистрации отраженных и прошедших световых пучков приблизительно одинаковой интенсивности. А взаимное расположение граней и величины углов между ними выполняются с достаточной точностью, не хуже чем точность настройки плоскостей и углов в конфигурации лазерного компрессора.
То есть, этот набор призм является неким устройством-ключом для настройки конфигурации компрессора, состоящего из любого количества пар параллельных или перпендикулярных дифракционных решеток, в котором жестко заложены основные угловые ее параметры (угол падения, угол дифракции нулевого и первого порядка, угол автоколлимации и другие требуемые углы для установки параллельности дифракционных решеток). При первичной настройке или ее проверке одна из призм является реперной и неподвижной, а остальные устанавливаются относительно нее. Для каждой конфигурации пары дифракционных решеток с уникальными параметрами изготавливается как минимум одна многогранная призма. Рассмотрим одну пару дифракционных решеток и одну многогранную призму для ее настройки. Данная призма вбрасывается в компрессор на определенное расчетное место, параллельно относительно реперной призмы, и отражения от нее попадают в единый регистрирующий прибор.
Таким образом, достигается технический результат, заключающийся в упрощении процесса контроля параллельности двух рабочих поверхностей решеток лазерного компрессора в рамках одной экспериментальной постановки без изменения положения ее инструментальной базы, существенному сокращению времени проверки настройки, так как не приходится многократно переставлять аппаратуру и поворачивать дифракционные решетки на вспомогательные углы для промежуточной регистрации отраженных излучений, что приводит к повышению точности настройки. Это приводит и к упрощению состава комплекса в целом.
Предлагаемые способ и устройство могут эффективно использоваться на любых лазерных установках для настройки лазерного компрессора на параллельных решетках. Также существенно, что применение предлагаемого способа, совместно с котировочным излучением, возможно как при работе с частотным лазерным излучением, так и с моноимпульсным лазерным излучением, в отличие от прототипа которому требуется рабочее частотное лазерное излучение в финале настройки.
Сущность изобретения поясняется чертежами. На фиг. 1 изображена принципиальная схема лазерного компрессора с дополнительно вводимыми оптическими элементами, реализующая заявляемый способ настройки лазерного компрессора и комплекс его осуществления. Также показано распространение лазерного излучения. Здесь 2 - зеркало, 5 и 6 - дифракционные решетки. 7 - вбрасываемое котировочное зеркало. 1 - коллиматор с ПЗС камерой и лампой подсветки, 3 - реперная призма, 4 - вбрасываемая юстировочная призма.
На фиг. 2 показано направление распространения пучков, отраженных от вбрасываемой котировочной призмы 4, дифракционных решеток 5, 6 и вбрасываемого юстировочного зеркала 7, которые попадают в коллиматор. Здесь 8 - отражение света лампы подсветки коллиматора от передней грани реперной призмы 3, 10 - отражение света лампы подсветки коллиматора от передней грани вбрасываемой юстировочной призмы, 9 - отражение лазерного излучения от дифракционной решетки 6,11 - отражение лазерного излучения от дифракционной решетки 5.
На фиг. 3 приведено расположение в пространстве реперной призмы 3, вбрасываемой юстировочной призмы 4 и дифракционной решетки 5. Направление обзора - перпендикулярно оптической оси. Здесь 12 - пятно лазерного излучения перед дифракционной решеткой 5.
В настроенном на рабочий режим лазерном компрессоре располагается реперная призма 3 так, чтобы не препятствовать распространению рабочего лазерного излучения, находиться в окне обзора коллиматора 1. Передняя отражающая грань реперной призмы 3 - перпендикулярна плоскости регистрации коллиматора.
Способ настройки лазерного компрессора реализуется с помощью комплекса, схематично изображенного на фиг. 1, следующим образом. ПЗС камера работающего оптического коллиматора 1 (единый регистратор), установленного на входе в компрессор, регистрирует отраженный от передней грани реперной призмы 3 свет лампы подсветки коллиматора 1 (8 на фиг. 2). Далее в оптический тракт вводится вбрасываемая юстировочная призма 4, так чтобы рабочее излучение проходило через нее. Угол заклона вбрасываемой юстировочной призмы 4 относительно оптической оси устанавливается путем совмещения на ПЗС камере коллиматора 1 пучка света лампы подсветки, отраженного от передней грани вбрасываемой юстировочной призмы 4 (10 на фиг. 2). с пучком света, отраженного от передней грани реперной призмы 3 (8 на фиг. 2). После этого производится настройка параллельности дифракционных решеток. Отражение 11 лазерного излучения от первой дифракционной решетки 5, следующее в обратном направлении (см. фиг. 2), отражается от задней нижней грани вбрасываемой юстировочной призмы 4, направляется на коллиматор 1 и регистрируется его ПЗС камерой. Отражение 8 совмещается на ПЗС камере оптического коллиматора 1 с отражением 11 лампы подсветки от передней грани вбрасываемой юстировочной призмы 4 (см. фиг. 2) путем поворота дифракционной решетки 5 относительно ее вертикальной оси. Далее в оптический тракт на выходе компрессора вводится вбрасываемое котировочное зеркало 7 так, чтобы перекрывать часть рабочего лазерного излучения. Грани вбрасываемой многогранной призмы выполнены в размерах, достаточных для регистрации отраженных и прошедших световых пучков приблизительно одинаковой интенсивности: причем углы наклона граней юстировочной призмы определяются углами отражения излучения от дифракционных решеток и вбрасываемого зеркала.
Таким образом, отражение 9 лазерного излучения от второй дифракционной решетки 6. следующее на выход лазерного компрессора, направляется вбрасываемым котировочным зеркалом 7 на вбрасываемую котировочную призму 4, отражается от ее верхней передней грани, отправляется на коллиматор 1 и регистрируется его ПЗС камерой (см. фиг. 2). Отражение 9 лазерного излучения от второй дифракционной решетки 6 совмещается на ПЗС камере оптического коллиматора 1 с отражением 11 лазерного излучения от первой дифракционной решетки 5 (см. фиг. 2) путем поворота дифракционной решетки 6 относительно ее вертикальной оси. Затем все вбрасываемые в тракт оптические элементы (4 и 7) выводятся из лазерного компрессора.
При единой регистрации по положению световых пятен на ПЗС камере оптического коллиматора определяют выставление угла заклона решеток в трех плоскостях относительно всех требуемых угловых параметров, таких как угол падения, углы дифракции требуемого порядка, угол автоколлимашш и других требуемых углов для установки параллельности дифракционных решеток. Мощность свечения лампы подсветки и мощность лазерного излучения должны быть подобраны таким образом, чтобы чувствительность матрицы ПЗС камеры коллиматора позволяла зарегистрировать их отражения. Внутренние углы граней вбрасываемой котировочной призмы определяются требуемой конфигурацией лазерного компрессора.
Точность регистрации лазерного пучка на ПЗС камере оптического коллиматора определяется ее техническими параметрами и характеристиками оптических элементов коллиматора. В ходе расчетного моделирования и экспериментальной отработки устройства, реализующего заявляемый способ настройки лазерного компрессора на параллельных дифракционных решетках, точность пространственного позиционирования отраженных пучков на ПЗС камере составила 3 мкм. угловая точность - 3". Такие значения не хуже, чем в прототипе. То есть точность достаточно высока, при этом обеспечено существенное упрощение настройки и соответствующего ей комплекса реализации в рамках одного постановочного эксперимента.