СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ ПРОСТРАНСТВЕННОГО ПРОФИЛЯ ИНТЕНСИВНОСТИ ЛАЗЕРНОГО ПУЧКА
METHOD OF FORMING SPATIAL PROFILE OF LASER BEAM INTENSITY

Область техники
Изобретение относится к области квантовой электроники, в частности к лазерной технике, и может быть использовано для получения световых пучков с заданным пространственным профилем интенсивности излучения.
Уровень техники.
В настоящее время актуальной задачей большинства мощных лазерных установок является получение предельной энергии лазерного пучка на выходе оконечных усилительных каскадов. Решение данной задачи во многом определяется возможностью формирования равномерного выходного пространственного профиля пучка. Параметры отражателей каскадов, а также суперлюминесценция, как правило, не позволяют получить равномерный по апертуре каскада коэффициент усиления и, как следствие, импульс излучения с прямоугольным пространственным профилем при прохождении каскада усиливается неравномерно по апертуре. Компенсируют неравномерность усиления излучения по апертуре каскада применением предварительного пространственного профилирования входного пучка.
Известен способ формирования пространственного профиля пучка, включающий преобразования исходного пучка в пучок прямоугольной апертуры, пучок с пространственным профилем интенсивности, одинаковым в одной из плоскостей вдоль направления распространения и всех плоскостях, параллельных ей по всей апертуре пучка [1]. Апертура пучка, формируемого данным способом, - прямоугольная, пространственный профиль вдоль большей оси пучка - равномерный, а вдоль меньшей - Гауссов.
Недостатком этого способа является невозможность формирования пучка с параболическим пространственным профилем.
Известен способ формирования пространственного профиля лазерного пучка, включающий преобразования исходного пучка в пучок с распределенным по апертуре состоянием поляризации, поляризационную фильтрацию, регулировку пространственного профиля пучка поворотом двулучепреломляющего элемента [2]. Этот способ позволяет формировать пучки с параболическим пространственным профилем, симметричным относительно оптической оси системы.
Недостатком этого способа является невозможность формирования параболического пространственного профиля пучка, одинакового в одной из плоскостей вдоль направления распространения и всех плоскостях, параллельных ей по всей апертуре пучка.
Известен выбранный в качестве прототипа способ формирования пространственного профиля лазерного пучка, включающий формирование сходящегося пучка, формирование пучка с распределенным по апертуре состоянием поляризации посредством двулучепреломляющего элемента, поляризационную селекцию, регулировку пространственного профиля пучка поворотом двулучепреломляющего элемента, вектора поляризации и поляризационно-селектирующего элемента [3]. Этот способ позволяет формировать сходящийся лазерный пучок с симметричным, относительно оптической оси, пространственным профилем интенсивности и регулируемым размером пучка вблизи фокальной плоскости.
Недостатком этого способа является невозможность формирования пучка с параболическим пространственным профилем, одинакового в одной из плоскостей вдоль направления распространения и всех плоскостях, параллельных ей по всей апертуре пучка.
Раскрытие изобретения.
Техническим результатом изобретения является формирование лазерного пучка с параболическим пространственным профилем, одинаковым в одной из плоскостей вдоль направления распространения и всех плоскостях, параллельных ей по всей апертуре пучка, с регулируемым уровнем интенсивности излучения в центре параболы, а также регулируемым положением параболы по апертуре пучка.
Этот технический результат в предлагаемом решении достигается тем, что способ формирования пространственного профиля лазерного пучка включает формирование сходящегося лазерного пучка, преобразование пучка в пучок с распределенным по апертуре состоянием поляризации посредством двулучепреломляющего элемента, поляризационную селекцию пучка, регулировку пространственного профиля пучка поворотом двулучепреломляющего элемента или вектора поляризации, или поляризационно-селектирующего элемента. Новым в способе является то, что после формирования пучка с распределенным по апертуре состоянием поляризации осуществляют коллимацию пучка, а двулучепреломляющим элементом служит двулучепреломляющая пластинка, ось которой направлена под углом к оси пучка.
Не обнаружены технические решения, совокупность признаков в которых совпадает с совокупностью признаков заявляемого способа формирования пространственного профиля лазерного пучка, в том числе с отличительными признаками. Эта новая совокупность признаков является новым техническим средством, которое обеспечивает получение технического результата, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого изобретения критерию «изобретательский уровень».
Покажем, каким образом достигается указанный выше технический результат.
Преобразование исходного пучка в пучок с распределенным по апертуре состоянием поляризации в сходящемся пучке при его прохождении через двулучепреломляющую пластинку, ось которой направлена под углом к оси пучка, позволяет для одинаковых углов отклонения лучей от оси пучка, эквивалентных одинаковому расстоянию лучей исходного пучка от оси пучка, создать неодинаковые условия изменения состояния поляризации, т.к. не одинаков угол между осью двулучепреломляющей пластинки (быстрая ось z) и волновым вектором необыкновенного луча.
Известно, что поляризационные свойства поляризационно-селектирующих элементов, применяемых в лазерной технике, проявляются по-разному не только для различных направлений вектора поляризации, но и углов падения излучения на поверхность поляризационно-селектирующего элемента. В предлагаемом способе пучок с распределенным состоянием поляризации формируют в сходящемся пучке, следовательно, отдельные лучи этого пучка падают на поверхность поляризационно-селектирующего элемента под разными углами и, кроме того, угол схождения пучка может меняться в процессе работы. В связи с этим, с целью исключения непредсказуемых и нежелательных различий в распределении состояния поляризации и пространственном профиле пучка до и после проведения поляризационной фильтрации сходящегося пучка, перед проведением поляризационной фильтрации формируют коллимированный пучок.
После пропускания сформированного таким образом коллимированного лазерного пучка через поляризационно-селектирующий элемент формируют параболический пространственный профиль, одинаковый в одной из плоскостей вдоль направления распространения и всех плоскостях, параллельных ей по всей апертуре пучка.
Формирование пучка с распределенным состоянием поляризации можно проводить как в сходящемся, так и в расходящемся пучке. Расходящийся пучок, в отличие от сходящегося, не имеет плоскости минимального пятна. Данное обстоятельство окажется весьма полезным при работе с мощным лазерным пучком, так как не потребует, с целью исключения лазерного пробоя воздуха, дополнительной установки вакуумной кюветы между линзами телескопа с размещением плоскости минимального пятна внутри нее. В этом случае двулучепреломляющую пластинку помещают в телескоп Галилея.
На фиг.1 изображена схема устройства, реализующего данный способ, где 1 - полуволновая пластинка, 2, 4 - линза телескопа, 3 - двулучепреломляющая пластинка, 5 - поляризатор.
На фиг.2 представлены пространственные профили лазерного пучка, получаемые при реализации заявляемого способа.
На фиг.3 представлены пространственные профили лазерного пучка, получаемые при реализации заявляемого способа в случае вращения вектора поляризации исходного пучка и поляризатора.
Способ формирования пространственного профиля лазерного пучка реализуется следующим образом.
Способ формирования пространственного профиля лазерного пучка включает преобразование исходного пучка в пучок с распределенным по апертуре состоянием поляризации в сходящемся пучке посредством двулучепреломляющей пластинки, ось которой направлена под углом к оси пучка, формирование коллимированного пучка, поляризационную фильтрацию, регулировку пространственного профиля пучка вращением двулучепреломляющей пластинки или вектора поляризации исходного пучка или поляризатора.
Устройство, реализующее заявляемый способ, работает следующим образом. Линейно-поляризованный пучок излучения подают на полуволновую пластинку 1, осуществляющую поворот вектора поляризации. Сходящийся или расходящийся пучок формируют линзой 2. Формирование коллимированного пучка проводят линзой 4. Линзы 2 и 4 образуют телескоп. Распределенное состояние поляризации формируют, пропуская пучок через двулучепреломляющую пластинку 3, которую помещают между линзами 2 и 4, а, пропуская пучок через поляризатор 5, осуществляют поляризационную фильтрацию пучка. Регулировку уровня интенсивности излучения в центре и на краю параболы пространственного профиля пучка осуществляют вращением полуволновой пластинки 1 и поляризатора 5. Поворотом двулучепреломляющей пластинки 3 смещают и вращают параболу по апертуре пучка.
В РФЯЦ-ВНИИЭФ создан компактный лазерный стенд, на котором экспериментально подтверждена работоспособность данного способа формирования лазерного пучка. Исследования показали, что данным способом можно формировать лазерные пучки с параболическим пространственным профилем, одинаковым в одной из плоскостей вдоль направления распространения и всех плоскостях, параллельных ей по всей апертуре пучка. Показана возможность смещения и вращения параболы по апертуре пучка, а также регулировка отношения уровня интенсивности излучения в центре и на краях параболы в диапазоне от 0 до 1.
Изобретение найдет применение в мощных лазерных установках, в которых из-за неравномерного усиления излучения в широкоапертурных каскадах применяются пучки с заранее сформированным компенсирующим пространственным профилем интенсивности. Также изобретение может найти применение в медицине, например в офтальмологии для лазерной коррекции зрения.
Источники информации
1. Дога А.В., Семёнов А.Д., Сугробов В.А., Евсюков А.Г., Макаров А.В., Каноненко А.А. Патент РФ RU №2196559, опубл. 18.05.2007 г.
2. В.М. Van Monterghem, J.T. Salmon, R.W. Wilcox. Beamlet pulsegeneration and wavefront-control system, ICF Quarterly Report 5(1), 42-51, Lawrence Livermore National Laboratory, Livermore, CA, UCRL-LR-105821-95-1 (1995).
3. Patrick A.Giordano, Патент US 2006/0023307 A1, опубл. 02.02.2006 г.