УСТРОЙСТВО АПОДИЗАЦИИ ЛАЗЕРНОГО ПУЧКА
LASER BEAM APODISATION DEVICE

Изобретение относится к области квантовой электроники, в частности к лазерной технике, и может быть использовано для формирования аподизированного лазерного пучка в мощных лазерных установках.
Получение предельной плотности энергии лазерного пучка на выходе мощной установки во многом определяется возможностью формирования пространственного профиля пучка без модуляции интенсивности. Помимо различного рода дефектов в оптических элементах тракта установки значительное влияние на развитие модуляции интенсивности в пространственном профиле оказывают краевые дифракционные эффекты, устранить которые возможно применением так называемой аподизации пучка, т.е. формированием плавно спадающего пространственного профиля интенсивности на краях апертуры пучка. Аподизация позволяет формировать пучок с высоким (≈87%) коэффициентом заполнения (fill factor) и сохранить пространственный профиль при значительном удалении пучка от плоскости перестроения изображения.
2
2
2
2
Известно устройство аподизации лазерного пучка, включающее установленные по ходу распространения лазерного пучка выполненные на основе подложки из прозрачного диэлектрика формирователь апертуры пучка и периодически распределенные по всему краю апертуры пучка элементы, обеспечивающие изменение интенсивности проходящего через них лазерного излучения, а также установленные далее по ходу распространения лазерного пучка фильтр пространственных частот и ретранслятор изображения [J.K. Crane, R.B. Wilcox, M. Hermann, M. Martinez et al., "The NIF injection laser system", ICF Quarterly Report Lawrence Livermore National Laboratory, October-December 1998, p. 8, UCRL-LR-105821-99-1, 1]. Устройство формирует пространственный профиль интенсивности лазерного пучка с аподизированными краями. В устройстве элементы, периодически распределенные по всему краю апертуры пучка и обеспечивающие изменение интенсивности проходящего через них лазерного излучения, выполнены методом нанесения слоя металла на поверхность стеклянной подложки фотолитографическим способом, который, согласно аналогичной работе [Van Wonterghem Bruno M, Salmon J.T., Wilcox R.W., "Beamlet pulse-generation and wavefront-control system", ICF Quarterly Report Lawrence Livermore National Laboratory v. 5, No. 1, p. 45, 1994, 2], позволяет выдерживать точность воспроизведения формы элементов на уровне ≈2 мкм. Тем не менее, согласно каталогам лучших мировых производителей оптических элементов, например Thorlabs, лучевая прочность зеркал с напылением металлов редко превышает 1 Дж/см (золото, серебро) или 0,3 Дж/см (алюминий) при длительности импульса 10 нс. При длительностях импульса ≤3 нс, в соответствии с принципом пропорциональности лучевой прочности оптических элементов квадратному корню из длительности импульса [Мак А.А., Сомс Л.Н., Фромзель В.А., Яшин В.Е. "Лазеры на неодимовом стекле", М., "Наука", 1990 г., 3], лучевая прочность зеркальных металлических покрытий снижается до уровня ≤0,5Дж/см (золото, серебро) и ≤0,15Дж/см (алюминий).
2
Ввиду того, что во многих лазерных установках требуется формировать пространственный профиль пучка с плотностью энергии >1 Дж/см при длительностях импульса ≤3 нс, низкую лучевую прочность элементов, периодически распределенных по всему краю апертуры пучка в данном устройстве следует признать существенным недостатком.
Известно устройство аподизации лазерного пучка, обладающее высокой лучевой прочностью и выбранное в качестве прототипа, включающее установленные по ходу распространения лазерного пучка формирователь апертуры пучка и периодически распределенные по всему краю апертуры пучка элементы, выполненные в виде поверхностных или объемных разрушений подложки из прозрачного диэлектрика или совокупности поверхностных и объемных разрушений подложки из прозрачного диэлектрика, а также установленные далее по ходу распространения лазерного пучка фильтр пространственных частот и ретранслятор изображения [RU 2140695 С1, 27.10.1999. Зубарев И.Г., Пятахин М.В., Сенатский Ю.В. Способ формирования мягкой диафрагмы, 4]. Устройство формирует пространственный профиль интенсивности лазерного пучка с аподизированными краями.
В устройстве прототипа лазерное излучение, рассеянное на периодически распределенных по всему краю апертуры пучка элементах, выполненных в виде поверхностных или объемных разрушений подложки из прозрачного диэлектрика или совокупности поверхностных и объемных разрушений подложки из прозрачного диэлектрика, ввиду существования минимального угла селекции частично проходит через фильтр пространственных частот, установленный далее по ходу распространения лазерного пучка. В работе [J.M. Auerbach, V.M. Karpenko, Appl. Opt., 3179-3183, 1994, 5] показано, что на выходе фильтра пространственных частот и ретранслятора изображения распределение интенсивности на краях аподизированного пучка, прошедшего через периодически распределенные по всему краю апертуры пучка элементы, соответствует функции пропускания интенсивности излучения прозрачным промежутком между периодически распределенными элементами. Прошедшая через пространственный фильтр часть излучения, рассеянного периодическими элементами, может приводить к снижению точности воспроизведения заданной формы краевого пространственного профиля интенсивности аподизируемого пучка, что следует признать существенным недостатком прототипа.
Техническим результатом изобретения является повышение точности воспроизведения требуемой формы краевого пространственного профиля аподизируемого пучка.
Этот технический результат в предлагаемом решении достигается тем, что в отличие от известного устройства аподизации лазерного пучка, которое включает установленные по ходу распространения лазерного пучка формирователь апертуры пучка и периодически распределенные по всему краю апертуры пучка элементы, выполненные в виде поверхностных или объемных разрушений подложки из прозрачного диэлектрика или совокупности поверхностных и объемных разрушений подложки из прозрачного диэлектрика, а также установленные далее по ходу распространения лазерного пучка фильтр пространственных частот и ретранслятор изображения, в предложенном устройстве между фильтром пространственных частот и подложкой, на основе которой выполнены формирователь апертуры пучка и периодически распределенные по всему краю апертуры пучка элементы, установлен поляризационно-селектирующий элемент.
Устройство может отличаться тем, что подложка, на основе которой выполнены формирователь апертуры пучка и периодически распределенные по всему краю апертуры пучка элементы, изготовлена из двулучепреломляющего кристалла.
Покажем, каким образом достигается указанный выше технический результат.
Согласно работе [Ю.К. Данилейко, А.А. Маненков, В.С. Нечитайло, Труды ФИАН, т. 101, изд. "Наука", Москва, 1978, 6], пропускание лазерного излучения через объемные или поверхностные разрушения прозрачного диэлектрика приводит, помимо рассеяния, к деполяризации лазерного излучения.
В предлагаемом техническом решении постановка поляризационно-селектирующего элемента между фильтром пространственных частот и подложкой, на основе которой выполнены формирователь апертуры пучка и периодически распределенные по всему краю апертуры пучка элементы, выполненные в виде поверхностных или объемных разрушений подложки из прозрачного диэлектрика или совокупности поверхностных и объемных разрушений подложки из прозрачного диэлектрика, позволяет уменьшить интенсивность рассеянного излучения, посредством отсечения деполяризованных по отношению к исходному пучку компонент и тем самым повысить точность воспроизведения формируемого пространственного профиля пучка в соответствии с функцией пропускания только прозрачных промежутков между периодически распределенными по всему краю апертуры пучка элементами.
Известно, что лазерное излучение, распространяющееся под разными углами в двулучепреломляющих кристаллах, по-разному меняет состояние поляризации [М. Борн, Э. Вольф, "Основы оптики", Наука, Москва, 1973, 7]. В предлагаемом техническом решении применение двулучепреломляющего кристалла в качестве материала подложки, на основе которой выполнены формирователь апертуры пучка и периодически распределенные по всему краю апертуры пучка элементы, выполненные в виде поверхностных или объемных разрушений подложки из прозрачного диэлектрика или совокупности поверхностных и объемных разрушений подложки из прозрачного диэлектрика, позволяет изменить состояние поляризации излучения, рассеянного в малых углах относительно направления распространения исходного лазерного пучка. Последующее пропускание пучка через поляризационно-селектирующий элемент позволяет уменьшить интенсивность частей пучка, прошедших через периодически распределенные по всему краю апертуры пучка элементы и изменивших по отношению к основному пучку поляризацию, что способствует более точному воспроизведению требуемой формы краевого пространственного профиля аподизируемого пучка в соответствии с функцией пропускания только прозрачных промежутков между периодически распределенными по всему краю апертуры пучка элементами.
На фиг. 1 изображена схема предлагаемого устройства, где 1 - формирователь апертуры пучка, 2 - периодически распределенные по всему краю апертуры пучка элементы, выполненные в виде поверхностных или объемных разрушений подложки из прозрачного диэлектрика или совокупности поверхностных и объемных разрушений подложки из прозрачного диэлектрика, 3 - поляризационно-селектирующий элемент, 4 - фильтр пространственных частот, 5 - ретранслятор изображения.
На фиг. 2 представлен эскиз варианта исполнения на основе подложки из прозрачного диэлектрика формирователя апертуры пучка и периодически распределенных по всему краю апертуры пучка элементов.
Работа предлагаемого устройства проводится следующим образом. Исходный лазерный пучок проходит через формирователь апертуры пучка 1 и периодически распределенные по всему краю апертуры пучка элементы 2, выполненные в виде поверхностных или объемных разрушений подложки из прозрачного диэлектрика или совокупности поверхностных и объемных разрушений подложки из прозрачного диэлектрика. Подложка из прозрачного диэлектрика может быть изготовлена из двулучепреломляющего кристалла. Форма апертуры формирователя апертуры пучка выбирается в соответствии с требованиями к форме апертуры аподизируемого пучка и может быть квадратной, круглой, прямоугольной и др. Размер апертуры исходного пучка должен выбираться таким, чтобы полностью накрывать апертуру формирователя апертуры пучка. В результате формируется лазерный пучок, содержащий на краях апертуры, периодически распределенные зоны рассеянного излучения и измененной по отношению к основной части пучка поляризацией. Посредством последующего пропускания сформированного таким образом пучка через поляризационно-селектирующий элемент 3 компоненты пучка, прошедшие через периодически распределенные по всему краю апертуры пучка элементы и изменившие состояние поляризации по отношению к поляризации основной части пучка устраняются.
Фильтр пространственных частот 4, установленный далее по ходу распространения пучка, устраняет периодические изменения угловых параметров рассеянного излучения и пространственный профиль на краях апертуры пучка сглаживается, т.е. осуществляется аподизация пучка. Ретранслятор изображения 5 осуществляет перестроение изображения формирователя апертуры пучка в заданную плоскость с возможностью изменения размера апертуры формируемого пучка и коллимацию пучка. Ретранслятор изображения может быть совмещен с фильтром пространственных частот, например, применением двух софокусно расположенных собирающих линз с размещением селектирующей диафрагмы в их общей фокальной плоскости.
Формирователь апертуры пучка также может быть выполнен в виде поверхностных или объемных разрушений подложки из прозрачного диэлектрика или совокупности поверхностных и объемных разрушений подложки из прозрачного диэлектрика. Также возможно изготовить формирователь апертуры, например, в виде непрозрачного для лазерного излучения слоя диэлектрического зеркального покрытия требуемого размера и формы, нанесенного на поверхность подложки из прозрачного диэлектрика и обладающего высокой лучевой прочностью, а также, например, в виде диафрагмы из металлической фольги, прикрепленной к поверхности подложки из прозрачного диэлектрика. Следует отметить, что точность изготовления формы и размера формирователя апертуры пучка, ввиду его большего размера, может быть значительно ниже точности изготовления периодически распределенных по всему краю апертуры пучка элементов, т.е., например, поверхностные или объемные разрушения подложки из прозрачного диэлектрика могут быть значительно больших размеров и требования к точности предъявляются лишь к устройству их позиционирования.
Периодически распределенные по всему краю апертуры пучка элементы, образованные поверхностными или объемными разрушениями подложки из прозрачного диэлектрика или совокупностью поверхностных и объемных разрушений подложки из прозрачного диэлектрика, могут быть выполнены, например, фокусировкой в объеме или на поверхности подложки из прозрачного диэлектрика (стекло, кварц, кристаллы и др.) мощного излучения импульсного или импульсно-периодического лазера. При этом возможно формирование микроразрушений, например, в виде сфер (в объеме) или кратеров (на поверхности), а также в виде нитей (в объеме) или канавок (на поверхности). Оптимальную плотность формирования точечных или линейных разрушений можно выбирать исходя из условия полного (иногда применяется специальный термин "положительного горизонтального") перекрытия соседних разрушений в пределах каждого из периодически распределенных по всему краю апертуры пучка элементов. Кроме того, возможны комбинации расположения отдельных периодически распределенных элементов на разных глубинах относительно поверхности подложки из прозрачного диэлектрика. В этом случае для увеличения коэффициента рассеяния, периодически распределенные элементы можно, например, расположить несколькими слоями друг под другом или выполнить в виде нитей, расположенных вдоль направления распространения пучка.
Применение только объемных разрушений подложки из прозрачного диэлектрика для создания элементов, периодически распределенных по всему краю апертуры пучка, позволяет нанести на обе рабочие поверхности подложки из прозрачного диэлектрика просветляющее покрытие, что позволит снизить потери энергии излучения.
Подложку можно изготовить в виде плоскопараллельной или клиновидной пластины из прозрачного диэлектрика с требуемой формой и размером, а также в виде линзы, которая также может быть применена в качестве первой линзы фильтра пространственных частот и ретранслятора изображения.
2
2
В РФЯЦ-ВНИИЭФ экспериментально подтверждена работоспособность предлагаемого устройства аподизации лазерного пучка. Периодически распределенные по всему краю апертуры пучка элементы выполнены в виде поверхностных и объемных разрушений подложки из прозрачного диэлектрика импульсно-периодическим лазером с пикосекундной длительностью импульсов. Точность позиционирования поверхностных и объемных разрушений подложки из прозрачного диэлектрика составляла ≤1 мкм. Формирователь апертуры пучка изготовлен двумя способами: в виде совокупности поверхностных и объемных разрушений прозрачного диэлектрика импульсно-периодическим лазером с пикосекундной длительностью импульсов, а также в виде диафрагмы из стальной фольги, прикрепленной к поверхности подложки из прозрачного диэлектрика. Для изготовления подложки из прозрачного диэлектрика применялись различные сорта стекол (К8, флинты) а также кристаллический кварц. Проведенные исследования показали, что лучевая прочность периодически распределенных по всему краю апертуры пучка элементов, форма которых воспроизведена в соответствии с прототипом в виде зубцов гауссоподобной формы (высота элементов 1 мм, период 0,2 мм), изготовленных на поверхности исследованных подложек из прозрачных диэлектриков, составляет ≈5 Дж/см, в то время как элементы, изготовленные в объеме подложки, показали лучевую прочность 15-25 Дж/см. Испытания изготовленных устройств аподизации показали возможность достижения коэффициента заполнения формируемого пучка на уровне 87%.
Изобретение найдет применение в мощных лазерных установках для формирования пучка высокой плотности энергии, характеризуется сглаженным краевым пространственным профилем интенсивности и высоким коэффициентом заполнения.