МНОГОПРОХОДНОЕ ИМПУЛЬСНОЕ ЛАЗЕРНОЕ УСТРОЙСТВО
MULTIPASS PULSED LASER DEVICE

Изобретение относится к лазерной технике, преимущественно к импульсным лазерным системам, и может быть использовано в системах, позволяющих создать серию импульсов с изменяющимся направлением распространения.
Проблема необходимости создания таких лазерных устройств стоит достаточно остро для целей зондирования, получения пространственных структур и обработки поверхностей.
Известно лазерное устройство, в котором активный элемент расположен между двумя сферическими зеркалами, обеспечивающими многократное прохождение усиливаемого излучения по активному элементу. Вход излучения в усилитель осуществляется через отверстие в центре одного из зеркал. Вывод излучения производится за счет изменения расходимости и за счет меньших размеров второго зеркала [МПК H01S 3/08, авт. свид. SU №1771026, 1990].
Недостатки такого технического решения заключаются в том, что усиленное излучение повторяет неоднородности коэффициента усиления среды активного элемента, поскольку для большинства сред активных элементов практически невозможно избежать вариаций инверсной заселенности в направлении, перпендикулярном направлению распространения излучения (оси-системы). Выходящее излучение по направлению совпадает с направлением распространения излучения на предшествующих последнему проходах, что приводит за счет дифракции на меньшем зеркале к попаданию этого излучения в выходное. Может происходить также и обратное - доля выходного излучения попадает в излучение предыдущих проходов, что делает устройство склонным к самовозбуждению. Дифракция на выходном зеркале приводит также к появлению неоднородностей в распределении выходного пучка. Направление выходного пучка весьма чувствительно к нестабильности положения зеркал.
Известно другое многопроходное импульсное лазерное устройство, выбранное в качестве прототипа, как наиболее близкое по количеству сходных признаков и решаемой задаче [Французская лазерная установка «Мегаджоуль» с четырехпроходным усилителем лазерного излучения. Laser megajoule project and impact on the inertial fusion program, Bettinger, A., Decroisette, M. Fusion Engineering and Design 46 (2-4), pp.457-460, 1999]. Известное устройство включает импульсный задающий генератор, фокусирующую линзу, пространственный фильтр, состоящий из двух линз и размещенного между ними диафрагменного узла с несколькими отверстиями, одно из которых является первым и предназначено для заведения луча от задающего генератора, а другие отверстия предназначены для заведения отраженных лучей, заводящее зеркало, размещенное перед первым отверстием диафрагменного узла, отражатель лазерных лучей в виде первого глухого торцевого зеркала, размещенного в фокальной плоскости одной из линз пространственного фильтра, систему отвода и возврата лучей, состоящую из отводящего и возвращающего зеркала, размещенного перед частью отверстий, предназначенных для заведения отраженных лучей, линзы и второго торцевого глухого зеркала, оптическая ось которых сдвинута на расстояние, равное половине расстояния между соседними отверстиями диафрагменного узла.
Известная конструкция позволяет из одиночного импульса задающего генератора создать серию импульсов с изменяющимся направлением распространения, но без вывода их из устройства и дальнейшего использования.
Техническим результатом заявляемого изобретения является расширение функциональных возможностей - получение на выходе серии импульсов с изменяющимся направлением распространения.
Указанный технический результат достигается за счет того, что в многопроходном импульсном лазерном устройстве, включающем импульсный задающий генератор, фокусирующую линзу, пространственный фильтр, состоящий из двух линз и размещенного между ними диафрагменного узла с несколькими отверстиями, одно из которых является первым и предназначено для заведения луча от задающего генератора, а другие отверстия предназначены для заведения отраженных лучей, заводящее зеркало, размещенное перед первым отверстием диафрагменного узла, отражатель лазерных лучей в виде первого глухого торцевого зеркала, размещенного в фокальной плоскости одной из линз пространственного фильтра, систему отвода и возврата лучей, состоящую из отводящего и возвращающего зеркала, размещенного перед частью отверстий, предназначенных для заведения отраженных лучей, линзы и второго торцевого глухого зеркала, оптическая ось которых сдвинута на расстояние, равное половине расстояния между соседними отверстиями диафрагменного узла,
первое торцевое глухое зеркало установлено в фокальной плоскости линзы пространственного фильтра со стороны заводящего зеркала, при этом оптическая ось торцевого глухого зеркала и линзы сдвинута от центра симметрии диафрагменного узла в направлении, перпендикулярном направлению сдвига оптической оси системы отвода и возврата лучей на расстояние, равное половине расстояния между соседними отверстиями диафрагменного узла, а на выходе устройства установлен дополнительный отражатель лазерных лучей в виде частично прозрачного зеркала, размещенного в фокальной плоскости другой линзы пространственного фильтра, оптическая ось которых проходит через центр симметрии диафрагменного узла.
Отводящее и возвращающее зеркало может быть установлено перед отверстиями диафрагменного узла, размещенными в одном ряду с первым отверстием.
Диафрагменный узел может быть выполнен в виде решетки, с количеством отверстий, превышающим 4, при этом они выполнены с постоянным шагом.
Установка первого торцевого глухого зеркала в фокальной плоскости линзы пространственного фильтра со стороны заводящего зеркала необходима для осуществления сканирования лазерных пучков в горизонтальном направлении при реализации схемы построения многопроходных систем лазерных импульсов с пространственным разделением пучков в дальней зоне.
Сдвиг оптической оси торцевого глухого зеркала и линзы от центра симметрии диафрагменного узла в направлении, перпендикулярном направлению сдвига оптической оси системы отвода и возврата лучей на расстояние, равное половине расстояния между соседними отверстиями диафрагменного узла, необходим для формирования последовательности импульсов с необходимым угловым сканированием и временной задержкой.
Установка на выходе устройства дополнительного отражателя лазерных лучей в виде частично прозрачного зеркала, размещенного в фокальной плоскости другой линзы пространственного фильтра, оптическая ось которых проходит через центр симметрии диафрагменного узла, необходима для отражения и вывода лучей из устройства при реализации схемы построения многопроходных систем лазерных импульсов с пространственным разделением пучков в дальней зоне.
Установка отводящего и возвращающего зеркала перед отверстиями диафрагменного узла, размещенными в одном ряду с первым отверстием, позволяет упростить оптическую схему при ее функционировании как размножителя.
Выполнение диафрагменного узла в виде решетки, с количеством отверстий, превышающим 4, при этом они выполнены с постоянным шагом, позволяет реализовать на выходе лазера как организацию последовательности импульсов из одиночного импульса задающего генератора, так и их пространственную ориентацию.
На фиг.1 представлена схема заявляемого устройства; на фиг.2 - схема распространения лазерного излучения для последовательности 9-ти импульсов в плоскости диафрагмы; на фиг.3 - для последовательности 100 импульсов.
Примером конкретного выполнения заявляемого многопроходного импульсного лазерного устройства может служить оптическая мультиплексная система, установленная на выходе твердотельного лазера и позволяющая из одиночного импульса задающего генератора создать серию импульсов малой энергии, распространяющихся под небольшим углом относительно друг друга и задержанных по времени. Основным преимуществом этой системы является возможность ее работы с малыми апертурами и при относительно слабых энергетических нагрузках. Предлагаемая система позволяет далее усилить набор разнонаправленных импульсов в силовом усилителе большой апертуры и реализовать на выходе лазера последовательности мощных разнонаправленных импульсов.
Усилительный тракт усиливает «сноп» разнонаправленных лазерных импульсов («сноп» рассматривается как матрица углов распространения лазерных пучков, например, размерностью 5×20 из 100 импульсов).
Для прохождения «снопа» лазерных импульсов по тракту усиления оптическая схема лазера реализуется по принципу периодической трансляции изображения.
При рассмотрении вариантов системы сканирования предполагается, что лазерный пучок имеет расходимость 5 дифракционных размеров, скорость сканирования или угловое расстояние между соседними во времени идущими лазерными импульсами также составляет 5 дифракционных размеров.
Основой мультиплексной системы является схема построения многопроходных систем усиления лазерных импульсов с пространственным разделением пучков в дальней зоне. Для простоты понимания работы рассмотрена система с размножением на девять проходов. Схема размножения лазерных пучков на большее количество строится по аналогичному принципу.
Система состоит из зеркал М1-М5, линз L1-L4, диафрагменного узла D и усилителя (активной среды) А. Зеркала М1-M3 расположены на расстоянии 1,5 м и предназначены для формирования последовательности импульсов с необходимым угловым сканированием и временной задержкой. Вывод излучения из системы осуществляется через частично прозрачное зеркало M1. С помощью зеркала М4 осуществляется ввод излучения в систему, а М5 служит для вывода и ввода излучения в реверсор (узел отвода и возврата излучения). Зеркало М2 осуществляет сканирование лазерных пучков в горизонтальном направлении. Зеркало реверсора M3 осуществляет сканирование лазерных пучков в вертикальном направлении. Линзы L1-L4 с фокусным расстоянием 38 см осуществляют фокусировку пучков в зоне диафрагмы и трансляцию изображения пучков в плоскостях М1-M3. Назначение усилителя А - компенсация потерь энергии в последовательности лазерных импульсов при выводе излучения из устройства.
Работа заявляемого устройства заключается в следующем.
На вход устройства подается одиночный импульс задающего генератора, который фокусируется линзой L4 и с помощью зеркала М4 направляется в отверстие 1 диафрагмы. Пройдя диафрагму, пучок расширяется и падает на полупрозрачное зеркало M1. Пучок, прошедший зеркало, является первым выходным пучком. Отраженный пучок, пройдя линзу L1, направляется в отверстие 9 диафрагмы (D9), коллимируется линзой L2, отражается от зеркала М2 и направляется сквозь линзу L2 на отверстие 2 диафрагмы (D2). Затем пучок коллимируется линзой L1 и направляется на полупрозрачное выходное зеркало M1. Часть излучения, прошедшего выходное зеркало, образует второй выходной пучок. Отраженная часть пучка проделывает путь, аналогичный пути пучка после первого отражения от зеркала M1, но при этом проходит последовательно путь: L1 - отверстие 8(D8) - L2 - М2 - L2 - отверстие 3(D3) - L1 - M1. Таким образом, сформирован третий лазерный пучок и организована «строчка» лазерных пучков с изменяющимся направлением распространения. При этом угловое расстояние между пучками будет определяться взаимной ориентацией зеркал. Далее в качестве примера рассмотрено устройство с размножением пучков на 3×3. В этом случае отраженный от M1 пучок направляется на отверстие 7 диафрагмы и выводится с помощью зеркала М5 в реверсор. Из реверсора пучок направляется на отверстие 4(D4). Здесь процесс формирования направлений распространения пучков повторяется для второй «строчки».
На символьном языке трассировка пучков будет выглядеть следующим образом:
→L4→М4→
→D1→L1→M1→L1→D9→L2→>М2→L2→
→D2→L1→M1→L1→D8→L2→М2→L2→
→D3→L1→M1→L1→D7→М5→L3→M3→L3→М5→
→D4→L1→M1→L1→D6→L2→М2→L2→
→D5→L1→M1→L1→D5→L2→М2→L2→
→D6→L1→M1→L1→D4→М5→L3→M3→L3→М5→
→D7→L1→M1→L1→D3→L2→М2→L2→
→D8→L1→M1→L1→D2→L2→М2→L2→
→D9→L1→M1→L1→D1→
→М4→L4→
Усилительный тракт лазера должен быть рассчитан на усиление лазерных пучков, идущих под углом к оси усилителя. Размеры усилителя вносят ограничения на угловые параметры в случае их работы со «снопом» лазерных импульсов. Характерная длина силовых усилителей ограничивает угловой раствор пучков. Это значит то, что без виньетирования пучков через усилитель может пройти «сноп» из импульсов с определенным угловым раствором в вертикальном и горизонтальном направлениях при условии, что вершина или точка, в которой возникает «сноп», находится непосредственно в центре усилителя.
Для получения пространственно-временных структур требуемой геометрии наиболее оптимально организовать «сноп» из 100 импульсов в виде матрицы размерностью 5×20 при требуемом угле между соседними лазерными пучками и их эквидистантном позиционировании.
В этом случае карта распространения пучков в мультиплексоре представлена на рисунке 3.
Т.о. реализована возможность создания серии разнонаправленных мощных лазерных импульсов, создающих пространственно-временную структуру.
Данное заявляемое устройство является пассивным, т.е. не требует применения мощных высокочастотных электрических генераторов.