УСТРОЙСТВО ФОРМИРОВАНИЯ РАЗДЕЛЕННЫХ ПО ВРЕМЕНИ АПОДИЗИРОВАННЫХ ЛАЗЕРНЫХ ПУЧКОВ

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, распространяющихся с требуемой временной задержкой друг относительно друга.
Актуальной задачей современных систем рентгенографической диагностики быстропротекающих процессов является формирование нескольких лазерных импульсов сверхкороткой длительности, следующих с относительной временной задержкой от десятков пикосекунд до единиц наносекунд. Лазерные системы сверхкороткой длительности импульса, как правило, содержат генератор исходного лазерного импульса сверхкороткой длительности, стретчер, увеличивающий длительность импульса на несколько порядков, усилительный тракт и компрессор, вновь уменьшающий длительность импульса до близкой к исходной [П.Г. Крюков "Лазеры ультракоротких импульсов", Квантовая электроника, т. 31, №2 (344), стр. 95-120, 2001, 1]. В ряде случаев параметры дифракционных решеток компрессора предопределяют прямоугольную форму апертуры лазерного пучка, что позволяет усиливать в одном канале усилительного тракта одновременно два, параллельно распространяющихся лазерных пучка. Пространственный профиль интенсивности формируемых пучков должен быть сглажен на краях апертуры, т.е. аподизирован, для устранения нежелательных дифракционных эффектов, приводящих к появлению модуляции интенсивности при распространении пучка, а также обладать максимально высоким коэффициентом заполнения (fill factor) с целью эффективного энергосъема в усилительных каскадах.
Известно устройство формирования аподизированных лазерных пучков в составе устройства для определения лучевой прочности оптических элементов, включающее формирователь нескольких, разделенных по апертуре лазерных пучков, формирователи апертуры лазерных пучков, формирователи аподизированного пространственного профиля интенсивности лазерных 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, 2]. Устройство формирует несколько разделенных по апертуре аподизированных лазерных пучков.
Недостатком устройства следует признать низкий коэффициент заполнения пучков, а также отсутствие возможности формировать заданную временную задержку между лазерными пучками.
Известно устройство формирования аподизированных лазерных пучков, включающее формирователь нескольких, разделенных по апертуре лазерных пучков, формирователи апертуры лазерных пучков, формирователи аподизированного пространственного профиля интенсивности лазерных пучков [Б.Г. Зималин, А.В. Савкин, О.А. Шаров "Устройство апертурного деления лазерного пучка", патент РФ на полезную модель, №131207, приоритет от 25.02.2013, 3]. Устройство формирует несколько разделенных по апертуре аподизированных лазерных пучков с высоким коэффициентом заполнения.
Недостатком устройства следует признать отсутствие возможности формировать заданную временную задержку между лазерными пучками.
Известно устройство формирования разделенных по времени аподизированных лазерных пучков, выбранное в качестве прототипа, включающее формирователь нескольких, разделенных по апертуре лазерных пучков, формирователи временной задержки между лазерными пучками, формирователи апертуры лазерных пучков, формирователи аподизированного пространственного профиля интенсивности лазерных пучков [J.M. Di Nicola, S.T. Yang, C.D. Boley, et al. "The commissioning of the advanced radiographic capability laser system: experimental and modeling results at the main laser output", Proc. of SPIE, Vol. 9345, 4]. Устройство формирует аподизированные лазерные пучки, распространяющиеся с требуемой временной задержкой друг относительно друга. Недостатком устройства следует признать необходимость применения формирователя нескольких, разделенных по апертуре лазерных пучков, выполненного в виде специального волоконного делителя и усложняющего оптическую схему устройства.
Техническим результатом полезной модели является упрощение оптической схемы формирования разделенных по времени аподизированных лазерных пучков.
Этот технический результат в предлагаемом решении достигается тем, что в отличие от известного устройства формирования разделенных по времени аподизированных лазерных пучков, которое включает формирователь нескольких, разделенных по апертуре лазерных пучков, формирователи временной задержки между лазерными пучками, формирователи апертуры лазерных пучков, формирователи аподизированного пространственного профиля интенсивности лазерных пучков, в предложенном устройстве формирователи апертуры лазерных пучков и формирователи аподизированного пространственного профиля интенсивности лазерных пучков совместно выполняют функцию формирователя нескольких разделенных по апертуре лазерных пучков посредством апертурного деления одного лазерного пучка, а формирователи временной задержки между лазерными пучками установлены после формирователей апертуры лазерных пучков и формирователей аподизированного пространственного профиля интенсивности лазерных пучков по ходу следования лазерных пучков, причем все составляющие устройства закреплены в юстируемых оправах, прикрепленных к оптическому столу.
Покажем, каким образом достигается указанный выше технический результат.
Известно, что пропусканием одного лазерного пучка через формирователи апертуры лазерных пучков и формирователи аподизированного пространственного профиля интенсивности лазерных пучков можно сформировать несколько разделенных по апертуре аподизированных лазерных пучков с требуемыми размерами и формами апертуры без взаимного перекрытия пространственных профилей интенсивности пучков. При этом достигается высокий коэффициент заполнения пучков и повышается эффективность использования энергии исходного лазерного пучка при его делении, так как аподизация профилей позволяет расположить формирователи апертуры пучка максимально близко друг к другу. Принцип апертурного деления лазерного пучка с применением формирователей аподизированного пространственного профиля интенсивности лазерных пучков подробно описан в работе [Б.Г. Зималин, А.В. Савкин, О.А. Шаров "Устройство апертурного деления лазерного пучка", патент РФ на полезную модель, №131207, приоритет от 25.02.2013, 3].
В предлагаемом техническом решении совместное выполнение формирователями апертуры лазерных пучков и формирователями аподизированного пространственного профиля интенсивности лазерных пучков функции формирователя нескольких разделенных по апертуре лазерных пучков посредством апертурного деления одного лазерного пучка позволяет упростить оптическую схему устройства путем исключения специально установленного формирователя нескольких разделенных по апертуре лазерных пучков, так как необходимое количество пучков формируется из одного исходного лазерного пучка посредством деления его апертуры на несколько частей. Тогда для формирования требуемой временной задержки между разделенными таким образом лазерными пучками необходимо формирователи временной задержки установить после формирователей апертуры лазерных пучков и формирователей аподизированного пространственного профиля интенсивности лазерных пучков по ходу следования лазерных пучков.
Все составляющие устройства посредством сборочных операций закрепляются в юстируемые оправы, которые прикрепляются к оптическому столу, что позволяет обеспечить их конструктивное и функциональное единство.
На фиг. изображена схема одного из вариантов рабочей оптической части предлагаемого устройства, где 1 - формирователи апертуры лазерных пучков и 2 - формирователи аподизированного пространственного профиля интенсивности лазерных пучков, совместно выполняющие функцию формирователя нескольких разделенных по апертуре лазерных пучков посредством апертурного деления одного лазерного пучка, закрепленные в оправе, 3 - формирователи временной задержки между лазерными пучками, закрепленные в оправе. Оправы прикреплены к оптическому столу.
Работа предлагаемого устройства проводится следующим образом. Лазерный пучок проходит через формирователи апертуры лазерных пучков 1 и формирователи аподизированного пространственного профиля интенсивности лазерных пучков 2, которые, посредством деления апертуры лазерного пучка на несколько частей формируют несколько разделенных по апертуре лазерных пучков с аподизированными пространственными профилями интенсивности. Далее, разделенные таким образом пучки, пропускаются через необходимое количество формирователей временной задержки между лазерными пучками 3, обеспечивающих временной сдвиг лазерных пучков друг относительно друга. Формирователи апертуры лазерных пучков и формирователи аподизированного пространственного профиля интенсивности лазерных пучков могут быть совмещены в одном устройстве. Например, аподизация лазерных пучков может быть проведена «мягкими» диафрагмами, т.е. оптическими элементами с переменным по апертуре профилем поглощения, пропускания или отражения интенсивности пучка на рабочей длине волны, двулучепреломляющими элементами заданной формы с установленным далее поляризационно-селектирующим элементом. Аподизацию лазерного пучка также можно проводить зубчатыми диафрагмами, т.е. диафрагмами, содержащими на краях апертуры периодически расположенные элементы, обеспечивающие изменение интенсивности или направления или поляризации проходящего через них излучения. При этом совместно с диафрагмами, далее по ходу следования лазерного пучка, устанавливаются поляризационно-селектирующие элементы (только в случае периодически расположенных элементов, изменяющих поляризацию проходящего через них излучения), а также фильтр пространственных частот и ретранслятор изображения. Аподизация пучка может быть осуществлена пропусканием лазерного пучка через жидкокристаллические транспаранты. Формирователи временной задержки между лазерными пучками могут быть выполнены, например, в виде прозрачных оптических элементов заданной толщины с показателем преломления, отличающимся от показателя преломления окружающей среды (пластины, оптоволокно и др.), а также в виде совокупности отражающих оптических элементов, например, зеркал или призм, при прохождении между которыми лазерный пучок проходит дополнительный оптический путь и приобретает требуемую временную задержку.
В РФЯЦ-ВНИИЭФ создан лазерный стенд, на котором экспериментально подтверждена работоспособность данного устройства формирования разделенных по времени аподизированных лазерных пучков. Формирователи апертуры лазерных пучков и формирователи аподизированного пространственного профиля интенсивности лазерных пучков включают в себя две, расположенные в одной плоскости диафрагмы, на краях апертуры которых периодически расположены элементы, обеспечивающие изменение интенсивности проходящего через них лазерного излучения, а также установленные далее по ходу следования лазерных пучков фильтр пространственных частот и ретранслятор изображения. Форма апертуры диафрагм - прямоугольная. Коэффициент заполнения разделенных по апертуре аподизированных лазерных пучков составил ≈ 80%. Формирователи временной задержки между лазерными пучками располагаются после формирователей апертуры лазерных пучков и формирователей аподизированного пространственного профиля интенсивности лазерных пучков. С применением просветленных кварцевых пластин различной толщины показана возможность формирования регулируемой задержки между пучками в диапазоне от 20 пс до 1 нс. Посредством системы из четырех зеркал продемонстрирована возможность формирования временного сдвига между лазерными пучками в диапазоне от 1 до 5 нс.
Полезная модель найдет применение в многоканальных лазерных установках, предназначенных для проведения многокадровой рентгенографической диагностики быстропротекающих процессов, в качестве устройства формирования двух и более разделенных по апертуре аподизированных лазерных пучков с высоким коэффициентом заполнения, следующих друг относительно друга с требуемой временной задержкой.