УСТРОЙСТВО АПЕРТУРНОГО ДЕЛЕНИЯ ЛАЗЕРНОГО ПУЧКА

Полезная модель относится к области квантовой электроники, в частности к лазерной технике, и может быть использована для формирования нескольких, разделенных по апертуре аподизированных лазерных пучков с высоким коэффициентом заполнения пространственного профиля интенсивности.
Актуальной задачей современных лазерных установок, предназначенных для проведения исследований в области лазерного термоядерного синтеза, является формирование большого числа лазерных пучков с одинаковыми, заданными параметрами пространственного профиля интенсивности, подаваемых на вход силовых каналов. Как правило, подобные многоканальные установки строятся по принципу формирования одного или нескольких лазерных пучков с требуемым пространственным профилем интенсивности в тракте задающий генератор - предусилитель с их последующим разделением на требуемое число пучков в системе деления. Пространственный профиль интенсивности формируемых пучков должен быть сглажен на краях апертуры (аподизирован) для устранения нежелательных дифракционных эффектов, приводящих к появлению модуляции интенсивности в пучке, а также обладать высоким (>80%) коэффициентом заполнения, который определяется как отношение полной энергии формируемого пучка к энергии пучка такой же апертуры, плотность энергии которого одинаковая по всей апертуре и равна пиковой плотности энергии формируемого пучка. Пучки с более высоким коэффициентом заполнения, в большинстве случаев, позволяют эффективнее снимать запасенную энергию в усилительных каскадах.
Одной из распространенных следует признать поляризационную систему деления лазерного пучка [J.K.Crane, R.B.Wilcox, M.Hermann et al., “NIF injection laser system”, ICF Quarterly Report, UCRL-LR-105821-99-1, pp.1-13, 1], состоящую из совокупности фазовых пластинок и поляризаторов. Недостатками данной системы являются сильная зависимость стабильности энергии формируемых пучков от изменения угла распространения исходного лазерного пучка, связанная с наличием большого числа оптических элементов, а также высокие требования к точности юстировки оптических элементов системы деления и стабильности состояния поляризации исходного пучка. Кроме того, формирование большого числа лазерных пучков сильно увеличивает габариты оптической схемы поляризационной системы деления.
Перечисленные недостатки отсутствуют в системе апертурного деления пучка, работающей по принципу разделения апертуры исходного пучка на требуемое число пучков меньшей апертуры, посредством нескольких формирователей апертуры пучков, располагаемых, например, в одной плоскости.
Известно устройство апертурного деления лазерного пучка, включающее формирователь апертуры пучков и ретранслятор изображения формирователей апертуры пучков [С.А.Ахманов, С.Ю.Хохлов, "Физическая оптика", Наука, Москва, 2004, 2]. Устройство формирует несколько разделенных по апертуре лазерных пучков.
К недостаткам устройства можно отнести отсутствие аподизации формируемых пучков, что приводит к появлению модуляции интенсивности вблизи краев апертуры пучков, а также низкий коэффициент заполнения формируемых пучков.
Известно устройство апертурного деления лазерного пучка в составе устройства для определения лучевой прочности оптических элементов, выбранное в качестве прототипа, включающее два или более разделенных по апертуре формирователей апертуры пучков, фильтр пространственных частот, ретранслятор изображения формирователей апертуры пучков [Б.Г.Зималин, А.В.Савкин, С.А.Сухарев, О.А.Шаров "Устройство для определения лучевой прочности оптических элементов", патент РФ на полезную модель, №90205, приоритет от 10.08.2009, 3]. Устройство формирует несколько разделенных по апертуре лазерных пучков.
Формирование пучков со сглаженным пространственным профилем интенсивности в устройстве прототипа, осуществимое посредством уменьшения угла фильтрации пространственных частот, приводит к снижению коэффициента заполнения пространственного профиля пучков и возможности частичного перекрывания краев соседних пучков. Например, в работе [Н.Ф.Борисова, М.А.Гаврилова, Б.С.Губа, А.Д.Стариков, В.К.Эльц, "Формирование лазерного пучка с равномерным пространственным распределением", Квантовая электроника, 1991, т.18, №3, с.355-358, 4], где применяется метод аподизации посредством изменения угла фильтрации пространственных частот пучка, прошедшего через формирователь апертуры пучка, максимальный достигнутый коэффициент заполнения составил 54%. Как следствие, при аподизации нескольких пучков требуется увеличивать расстояние между ними, а значит и формирователями апертуры пучков, что, в конечном итоге, снижает эффективность использования энергии исходного лазерного пучка при его делении. Данное обстоятельство следует признать существенным недостатком прототипа.
Техническим результатом полезной модели является повышение коэффициента заполнения лазерных пучков при формировании сглаженного пространственного профиля интенсивности на краях апертуры пучков, приводящее к повышению эффективности использования энергии исходного лазерного пучка при его делении.
Этот технический результат в предлагаемом решении достигается тем, что в отличие от известного устройства апертурного деления лазерного пучка, которое включает два или более разделенных по апертуре формирователя апертуры пучков, фильтр пространственных частот, ретранслятор изображения формирователей апертуры пучков, в предложенном устройстве края рабочей апертуры формирователей апертуры пучков образованы периодически расположенными элементами, обеспечивающими изменение интенсивности, или направления, или поляризации проходящего через них излучения.
Причем, в случае изменения поляризации излучения периодически расположенными элементами, между формирователями апертуры пучков и фильтром пространственных частот дополнительно установлен поляризационно-селектирующий элемент.
Покажем, каким образом достигается указанный выше технический результат. Известно, что посредством пропускания лазерного пучка через формирователь апертуры пучка, края рабочей апертуры которого образованы периодически расположенными элементами, обеспечивающими изменение интенсивности проходящего через них излучения, фильтр пространственных частот и ретранслятор изображения формирователя апертуры пучка можно провести сглаживание краев пространственного профиля лазерного пучка, т.е. аподизировать пучок [J.M.Auerbach, V.M.Karpenko, Appl. Opt., 3179-3183, 1994, 5]. Посредством изменения формы и размеров периодически расположенных элементов, можно регулировать форму сглаженного пространственного профиля интенсивности на краях апертуры лазерного пучка, т.е. менять его коэффициент заполнения. Данный метод аподизации позволяет исключить модуляцию интенсивности, как в пределах, так и вне апертуры ретранслированного пучка, вызванную краевыми дифракционными эффектами, вследствие чего удается сформировать пространственный профиль пучка с высоким коэффициентом заполнения и сохранить его форму при свободном распространении пучка в пространстве.
Аналогичным образом, в случае изменения направления излучения, проходящего через периодически расположенные элементы на краях рабочей апертуры формирователей апертуры пучков, фильтр пространственных частот устранит угловые отклонения частей пучка и проведет сглаживание краев пространственного профиля лазерного пучка.
Изменения поляризации излучения, проходящего через периодически расположенные элементы на краях рабочей апертуры формирователей апертуры пучков, посредством дальнейшего пропускания пучка через поляризационно-селектирующий элемент, расположенный между формирователями апертуры пучков и фильтром пространственных частот, преобразуются в изменения интенсивности. Далее процесс аподизации идет по вышеописанной схеме.
В предлагаемом техническом решении выполнение краев рабочей апертуры двух или более формирователей апертуры пучков в виде периодически расположенных элементов, изменяющих интенсивность, или направление, или поляризацию проходящего через них излучения, а также последующее пропускание пучка через фильтр пространственных частот и ретранслятор изображения формирователей сглаживает края пространственного профиля пучков с достижением высокого коэффициента заполнения, тем самым позволяет расположить формируемые пучки более близко друг к другу без их частичного перекрытия, что, в свою очередь, позволяет расположить формирователи апертуры пучков более близко друг к другу, что, в конечном итоге, повышает эффективность использования энергии исходного лазерного пучка при его делении.
На фиг.1 изображена схема предлагаемого устройства, где 1 - два или несколько разделенных по апертуре формирователей апертуры пучков, края рабочей апертуры которых образованы периодически расположенными элементами, обеспечивающими изменение интенсивности, или направления, или поляризации проходящего через них излучения, 2 - поляризационно-селектирующий элемент, 3 - фильтр пространственных частот, 4 - ретранслятор изображения формирователей апертуры пучков.
На фиг.2 представлен внешний вид одного из вариантов применяемых формирователей. Характерная форма сечения пространственного профиля интенсивности двух соседних пучков на выходе устройства представлена на фиг.3.
Работа предлагаемого устройства проводится следующим образом. Исходный лазерный пучок с заданным пространственным профилем интенсивности, например, равномерным, проходит через два или более разделенных по апертуре формирователя апертуры пучков 1, края рабочей апертуры которых образованы периодически расположенными элементами, обеспечивающими изменение интенсивности, или направления, или поляризации проходящего через них излучения. Форма апертур формирователей апертуры пучков выбирается в соответствии с требованиями к форме апертуры формируемых пучков и может быть квадратной, круглой, прямоугольной и др. Размер апертуры исходного пучка должен выбираться таким; чтобы полностью накрыть апертуры всех формирователей пучков. В результате формируется несколько разделенных по апертуре пучков, содержащих периодическое пространственное изменение параметров излучения на краях апертуры. Посредством последующего пропускания, сформированных таким образом пучков через фильтр пространственных частот 3, периодические пространственные изменения устраняются, а пространственный профиль на краях апертуры пучков сглаживается. В случае формирования пучков с периодическим пространственным изменением поляризации излучения, между формирователями апертуры пучков и фильтром пространственных частот дополнительно устанавливается поляризационно-селектирующий элемент 2. Ретранслятор изображений 4 осуществляет перестроение изображения формирователей апертуры пучков в заданную плоскость с возможностью изменения размера апертур формируемых пучков и коллимацию пучков. Ретранслятор изображений может быть совмещен с фильтром пространственных частот, например, применением двух софокусно расположенных собирающих линз с размещением селектирующей диафрагмы в их общей фокальной плоскости.
Формирователи апертуры пучков, края рабочей апертуры которых образованы периодически расположенными элементами, обеспечивающими изменение интенсивности проходящего через них излучения, могут быть выполнены, например, посредством нанесения на подложку из прозрачного материала непрозрачного или зеркального покрытия заданной формы. При этом формирователи с зеркальным покрытием могут быть выполнены для работы как в проходящем, так и отраженном пучке.
Формирователи апертуры пучков, края рабочей апертуры которых образованы периодически расположенными элементами, обеспечивающим изменение направления проходящего через них излучения, могут быть выполнены, например, посредством травления или лазерной резки поверхности подложки, изготовленной из прозрачного материала.
Формирователи апертуры пучков, края рабочей апертуры которых образованы периодически расположенными элементами, обеспечивающими изменение поляризации проходящего через них излучения, могут быть выполнены, например, посредством травления поверхности подложки, изготовленной из прозрачного двулучепреломляющего материала.
Преимущество первого типа формирователей апертуры пучков - сравнительная простота изготовления, преимущество последних двух типов - возможность работы с более мощными пучками.
В РФЯЦ-ВНИИЭФ создан лазерный стенд, на котором экспериментально подтверждена работоспособность данного устройства апертурного деления лазерного пучка. Края рабочей апертуры формирователей апертуры пучков образованы периодически расположенными элементами, обеспечивающими изменение интенсивности проходящего через них излучения. Внешний вид примененных формирователей представлен на фиг.2. Характерная форма сечения пространственного профиля интенсивности двух соседних пучков на выходе устройства представлена на фиг.3. Устройство по сравнению с прототипом позволяет достичь более высокого коэффициента заполнения лазерных пучков при формировании сглаженного пространственного профиля интенсивности на краях апертуры пучков, а также более эффективно использует энергию исходного лазерного пучка при его делении. При этом достигнут коэффициент заполнения разделенных лазерных пучков - 87%.
Полезная модель найдет применение в многоканальных лазерных установках, как устройство формирования двух и более разделенных по апертуре аподизированных лазерных пучков с высоким коэффициентом заполнения пространственного профиля интенсивности. Полезная модель может также найти применение в метрологии в многопучковых системах измерения лучевой прочности оптических элементов.