УСТРОЙСТВО ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ ОДНОРОДНОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА МИШЕНИ
DEVICE FOR FORMING UNIFORM DISTRIBUTION OF LASER RADIATION ON TARGET

Изобретение относится к области квантовой электроники, в частности, к лазерной технике и может быть использовано для формирования равномерного распределения интенсивности лазерного излучения при фокусировке на мишень в мощных лазерных установках.
Обеспечение однородного облучения мишени - ключевая задача в технике лазерного термоядерного синтеза. Крупномасштабная неоднородность облучения может привести к нарушению симметрии сжатия мишени, что делает невозможным достижение требуемой степени сжатия. Мелкомасштабная неоднородность (спеклы) может привести к развитию параметрических неустойчивостей, уменьшению эффективности поглощения лазерного излучения материалом мишени, генерации горячих электронов. В целом, в экспериментах по взаимодействию мощного лазерного излучения с веществом, неоднородность облучения затрудняет интерпретацию экспериментальных результатов. Кроме того, равномерное облучение необходимо в некоторых методах лазерной обработки материалов.
Известно несколько способов уменьшения крупномасштабной неоднородности облучения мишеней, таких как использование линзовых растров [X. Deng, X. Liang, Ζ. Chen et al, "Uniform illumination of large targets using a lens array," Appl. Opt., 25(3), 377-381, 1986], случайным образом разупорядоченных фазовых пластин [Y. Kato and K. Mima, "Random Phase Shifting of Laser Beam for Absorption Profile Smoothing and Instability Suppression in Laser Produced Plasmas," Appl. Phys. B, 29(3), 186-187, 1982], киноформных фазовых пластин [S.N. Dixit, J.K. Lawson, K.R. Manes et al, "Kinoform phase plates for focal plane irradiance profile control," Opt. Lett., 19(6), 417-419, 1994], непрерывных фазовых пластин [S.N. Dixit, M.D. Feit, M.D. Perry et al, "Designing fully continuous phase screens for tailoring focal-plane irradiance profiles," Opt. Lett., 21(21), 1715-1717, 1996]. Известно также несколько способов уменьшения мелкомасштабной неоднородности (пространственно-временного сглаживания): наведенная пространственная некогерентность [R.H. Lehmberg and S.P. Obenschain, "Use of induced spatial incoherence for uniform illumination of laser fusion targets," Opt. Commun., 46(1), 27-31, 1983], сглаживание с помощью многомодового оптического волокна [D. Veron, H. Ayral, С. Gouedard et al, "Optical spatial smoothing of nd-glass laser beam," Opt. Commun., 65(1), 42-46, 1988], сглаживание с помощью спектральной дисперсии [S. Skupsky, R.W. Short, T. Kessler et al, "Improved laser-beam uniformity using the angular dispersion of frequency-modulated light," J. Appl. Phys., 66(8), 3456-3462, 1989], поляризационное сглаживание [T.R. Boehly, V.A. Smalyuk, D.D. Meyerhofer et al, "Reduction of laser imprinting using polarization smoothing on a solid-state fusion laser," J. Appl. Phys., 85(7), 3444-3447, 1999] и другие.
f
Часто использующимся устройством для формирования однородного распределения излучения на мишени является линзовый растр, выполненный в виде двумерного массива одинаковых линз. Лазерное излучение, перед фокусировкой на мишень, проходит через линзовый растр. Если размер одного элемента растра равен D, а фокусные расстояния элемента растра и фокусирующего объектива равны  и F соответственно, то размер пятна на мишени (на расстоянии F от объектива) будет равен
Линзы в растре могут иметь различную форму: квадратную, прямоугольную, шестиугольную или иную. Линза может быть астигматической, то есть, иметь разные фокусные расстояния во взаимно ортогональных направлениях в поперечной плоскости. Форма пятна на мишени геометрически подобна форме элемента растра, но с растяжением или сжатием вдоль некоторого направления, в соответствии с формулой (1), если элементы астигматические.
Недостатками устройства являются: 1) дифракционные колебания интенсианости на краях пятна излучения на мишени; 2) наличие мелкомасштабной неоднородности облучения - спеклов; 3) крупномасштабная неравномерность облучения мишени в случае неравномерности распределения интенсивности лазерного пучка, падающего на растр.
Наиболее близким по назначению (прототипом) устройством для формирования однородного распределения излучения на мишени является растр с аподизацией элементов, которые имеют различную толщину вдоль направления распространения лазерного излучения, при этом фокусные расстояния элементов имеют одинаковые знаки. (однокомпонентный растр) [X. Zhao, Y. Gao, F. Li et al, "Beam smoothing by a diffraction-weakened lens array combining with induced spatial incoherence," Appl. Opt., 58(8), 2121-2126, 2019], в котором предложены методы устранения первых двух из вышеописанных недостатков.
Аподизация элементов растра, то есть, применение линз, пропускание которых плавно спадает от центра к краям, позволяет уменьшить или устранить дифракционные колебания интенсивности на краях пятна лазерного излучения на мишени.
с
с
Для улучшения же мелкомасштабной однородности облучения мишени (устранения спеклов), применяется растр с элементами разной толщины (растр-«эшелон»). Если задержка по времени между лучами света, прошедшими через любые два элемента растра, больше времени когерентности, то фазы подпучков будут иметь случайные независимые быстропеременные составляющие. Следовательно, спеклованная картина на мишени будет быстро изменяться, с характерным временем изменения, равным времени когерентности τ. Мерой неоднородности распределения интенсивности обычно служит контраст - отношение среднеквадратичного отклонения интенсивности к среднему значению. Контраст стационарного спеклованного распределения интенсивности равен единице. При усреднении же быстропеременного распределения интенсивности по времени Τ>τ контраст С усредненного распределения будет зависеть от Τ как
0
r
r
где С - асимптотический уровень контраста, равный 1/N, гас N - общее количество засвеченных элементов растра.
с
2
Применимость данного метода пространственно-временного сглаживания зависит от ширины спектра лазерного излучения. Если ширина спектра Δλ, то время когерентности равно τ=λ/(сΔλ), и разность по толщине между самым толстым и самым тонким элементом растра должна быть
с
r
max
min
где n - показатель преломления материала, из которого изготовлены элементы растра. Например, при λ=527 нм и Δλ=1 нм время когерентности τ≈1 пс, и при n=1,5, N=36 имеем L-L>2 см, что приемлемо. При малой же ширине спектра (или при большой размерности растра) потребуются очень толстые элементы растра, что нежелательно с точки зрения нелинейной рефракции и искажения фронтов лазерного импульса.
Уменьшение мелкомасштабной неоднородности облучения мишени с помощью растра-эшелона по сути аналогично действию упомянутого выше метода наведенной пространственной некогерентности.
Недостатком растра-эшелона с аподизированными элементами, как и обычного линзового растра, является возникновение крупномасштабной неоднородности облучения мишени при неравномерном распределении интенсивности лазерного пучка, падающего на растр.
Техническим результатом изобретения является уменьшение крупномасштабной неоднородности облучения мишени.
Данный технический результат достигается за счет того, что, в отличие от известного устройства для формирования однородного распределения лазерного излучения на мишени, представляющее собой набор линз, составленных между собой в двумерный массив, с апертурной аподизацией элементов, характеризующейся плавно спадающим к краям элемента коэффициентом пропускания, с различной толщиной элементов вдоль направления распространения лазерного излучения, выбранной таким образом, чтобы разность по времени прохождения лазерного излучения через любые два элемента массива превышала по абсолютной величине время когерентности лазерного излучения, в предложенном устройстве линзы в наборе имеют чередующееся по знаку фокусное расстояние.
Для уменьшения крупномасштабной неоднородности, имеющей место в прототипе, предлагается применить двухкомпонентный растр подобный по геометрии растру-прототипу, но в котором линзы (элементы растра) имеют чередующееся по знаку фокусное расстояние (положительные и отрицательные линзы). Положительные линзы формируют перевернутое «изображение» пучка, проходящего через данный элемент, отрицательные - прямое изображение. На мишени происходит суперпозиция изображений от всех засвеченных элементов растра, и неоднородность суммарного распределения интенсивности устраняется. То есть, при наложении множества пучков от каждого из элементов растра, происходит усреднение, и если, например, пучок в ближней зоне имеет градиент интенсивности вдоль какого-либо направления, то на мишени этого градиента не будет.
Таким образом, за счет предложенного усовершенствования устройства в части, касающейся применения линз со знакопеременным фокусным расстоянием, устраняется крупномасштабная неоднородность облучения мишени, связанная с неравномерностью распределения интенсивности пучка, падающего на растр.
Фиг.1 - Схема действия традиционного (однокомпонентного) линзового растра.
Фиг. 2 - Распределение интенсивности на мишени при использовании однокомпонентного растра.
Фиг. 3 - Пример аподизации элемента растра.
Фиг. 4 - Распределение интенсивности на мишени при использовании однокомпонентного растра с аподизацией элементов.
Фиг. 5 - Однокомпонентный линзовый растр-эшелон.
Фиг. 6 - зависимость контраста распределения интенсивности на мишени от времени усреднения.
Фиг. 7 - Распределение интенсивности на мишени при использовании однокомпонентного растра-эшелона с аподизированными элементами, при усреднении за время, в 100 раз превышающее время когерентности.
Фиг. 8 - Пример неравномерного распределения интенсивности лазерного излучения, падающего на линзовый растр.
Фиг. 9 - Распределение интенсивности на мишени при использовании однокомпонентного растра-эшелона с аподизированными элементами, при усреднении за время, в 100 раз превышающее время когерентности, при неравномерном распределении интенсивности излучения, падающего на растр, как на фиг.7.
Фиг. 10 - Двухкомпонентный линзовый растр-эшелон.
Фиг. 11 - Распределение интенсивности на мишени при использовании двухкомпонентного растра-эшелона с аподизированными элементами, при усреднении за время, в 100 раз превышающее время когерентности, при неравномерном распределении интенсивности излучения, падающего на растр, как на фиг.7.
1 - лазерный пучок; 2 - линзовый растр; 3 - объектив; 4 - мишень; 5 - волновой фронт пучка, прошедшего через растр; 6 - распределение интенсивности на мишени; 7 - огибающая распределения интенсивности на мишени; 8 - пропись распределения интенсивности и огибающей; 9 - двумерное распределение пропускания аподизированного элемента растра; 10 - пропись функции пропускания аподизированного элемента растра; 11 - неоднородное распределение интенсивности пучка, падающего на растр; 12 - пропись распределения интенсивности пучка, падающего на растр.
Для проверки заложенных в настоящий патент технических решений и сравнения с прототипом проведено численное моделирование распределения интенсивности на мишени при использовании различных типов линзовых растров, с различными свойствами входного лазерного излучения.
r
f
На фиг.1 условно показан традиционный линзовый растр, с одинаковыми элементами. Кривизна поверхности элементов растра сильно преувеличена для наглядности. На фиг.2 показано распределение интенсивности лазерного излучения на мишени при использовании традиционного линзового растра (N=6×6 квадратных элементов размером D=33 мм, с фокусным расстоянием =52 м; длина волны излучения λ=527 нм, фокусное расстояние объектива F=1 м, размер пучка 20×20 см) при равномерном распределении интенсивности падающего на растр излучения. На фиг.2 хорошо видны спеклы, а также дифракционные колебания огибающей интенсивности на краях пятна.
Пример функции пропускания аподизированного элемента растра показан на фиг.3. Распределение интенсивности на мишени, полученное при использовании растра с такой аподизацией, показано на фиг.4 (при прочих условиях таких же, как для фиг.2). Аподизация привела к существенному подавлению дифракционных колебаний огибающей интенсивности на краях пятна.
На фиг.5 приведена условная схема однокомпонентного растра с различной толщиной элементов, а на фиг.6 - зависимость контраста распределения интенсивности на мишени в центральной части пятна от времени усреднения (сплошная линия (а) - результат моделирования, пунктирная линия (б) - расчет по формуле (2)) при использовании такого растра. Численное моделирование подтверждает теоретический результат.
с
На фиг.7 показано распределение интенсивности на мишени, усредненное за время T, в 100 раз превышающее время когерентности τ, при использовании однокомпонентного растра-эшелона с аподизированными элементами. Достигнуто уменьшение мелкомасштабных колебаний интенсивности усредненного распределения почти в 10 раз, по сравнению с фиг.4.
с
Если пучок, падающий на растр, имеет неоднородное вдоль одной из поперечных координат распределение интенсивности, показанное на фиг.8, то форма пятна на мишени при использовании аподизированного однокомпонентного растра-эшелона будет также неоднородной, как показано на фиг.9 (при усреднении за Т=100τ).
с
Устранить эту последнюю неоднородность можно применением двухкомпонентного растра-эшелона, условно изображенного на фиг.10. Усредненное за Т=100τ распределение интенсивности на мишени при использовании аподизированного двухкомпонентного растра-эшелона показано на фиг.11 (при неоднородном распределении пучка, падающего на растр, как на фиг.8). Сравнение фиг.11 с фиг.9 показывает, что применение двухкомпонентного растра приводит к исчезновению нежелательного наклона огибающей интенсивности излучения на мишени.
Таким образом, численное моделирование показывает, что применение линзового растра, сочетающего в себе все три признака (аподизацию, различную толщину и чередование знака фокусных расстояний элементов) позволяет улучшить крупно- и мелкомасштабную однородность распределения интенсивности излучения на мишени, а именно, уменьшить дифракционные колебания на краях пятна, уменьшить контраст спеклов (при усреднении за время, большее времени когерентности) и устранить неравномерность облучения мишени, связанную с неравномерностью распределения интенсивности излучения в ближней зоне.