УСТРОЙСТВО МОДУЛЯЦИИ МОЩНОГО ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
POWERFUL LASER EMISSION MODULATION APPARATUS

Изобретение относится к технике генерации ультракоротких лазерных импульсов с высокой пиковой мощностью, а именно к устройствам для повышения временного контраста ультракоротких лазерных импульсов, и может быть использовано, например, в составе лазер-плазменных ускорителей пучков заряженных частиц, а также для исследования процессов, происходящих при взаимодействии лазерного излучения высокой пиковой мощности с различными материалами.
Известно устройство для повышения контраста ультракоротких лазерных импульсов, описанное в заявке DE на изобретение № 102009036037, МПК G02F 1/01, H01S 3/02, H01S 3/10, H01S 3/08. Устройство имеет как минимум одно плазменное зеркало, на котором предымпульс образует слой плазмы для отражения основного импульса. Оптические элементы для транспортировки, фокусировки на плазменное зеркало и коллимации лазерного излучения располагаются внутри вакуумной системы. Плазменное зеркало расположено в отдельной вакуумной камере с независимой откачкой для обеспечения возможности его смены без разгерметизации всей вакуумной системы.
К недостаткам этого технического решения следует отнести:
- плазменное зеркало юстируется при помощи вспомогательного лазерного луча, который, однако, не проходит по пути рабочего мощного пучка, что отражается на точности юстировки и приводит к ухудшению выходных параметров системы;
- при использовании схемы с двойным плазменным зеркалом требуется дополнительный фокусирующий элемент в виде сферического зеркала с моторизованным устройством позиционирования, что повышает сложность и стоимость системы.
Также известно устройство, описанное в заявке KR на изобретение № 1020160149958, МПК H01S 3/06, H01S 3/09, H01S 3/10, H01S 3/034 под названием «Устройство и система оптимизации лазерного пучка». Система состоит из входного устройства, формирующего путь, по которому лазерное излучение заводится в систему; модулятора, состоящего из нескольких плазменных зеркал, которые повышают контраст лазерного излучения; и выходного устройства, формирующего путь, по которому лазерное излучение выводится из устройства.
К недостаткам следует отнести:
- использование полуволновых или четвертьволновых пластин для изменения поляризации лазерного пучка приводит к ухудшению пространственных характеристик пучка, и ограничивает пиковую мощность лазерных импульсов, с которыми может работать данная система;
- применение в системе адаптивного зеркала не позволяет исправить высокочастотные пространственные искажения лазерного излучения, но существенно усложняет процесс настройки системы.
Наиболее близким и выбранным в качестве прототипа является устройство, описанное в заявке KR на изобретение № 101077276, МПК H01S 3/105, Н01S 3/123 под названием «Устройство модуляции лазерного импульса», которое содержит вакуумную систему, состоящую из вакуумной камеры с входным и выходным отверстиями для лазерного излучения, оптическую систему, содержащую входной и выходной элеваторы, каждый из которых выполнен в виде двух плоских зеркал, параболические и плазменные зеркала.
К недостаткам рассматриваемого устройства следует отнести:
- для фокусировки и реколлимации лазерного излучения используются два прецизионных внеосевых параболических зеркала, что приводит к удорожанию системы;
- апертура параболических зеркал совпадает с размером лазерного пучка. В случае повреждения отражающей поверхности мощным лазерным излучением потребуется их замена, что увеличивает расходы на обслуживание системы;
- в системе используются плазменные зеркала без просветляющего покрытия, что ограничивает достигаемую величину временного контраста системы;
- обычно юстировка оптических элементов осуществляется низкоинтенсивным излучением с длиной волны рабочего лазера, которое не создает плазму на поверхности плазменных зеркал и, следовательно, плохо отражается от них и не может быть зарегистрировано на выходе устройства. Поэтому на часть плазменного зеркала наносится отражающее покрытие и плазменное зеркало позиционируется так, чтобы лазерное излучение при юстировке попадало на покрытие. После юстировки перед началом работы устройства плазменное зеркало смещается обратно в рабочее положение, при котором лазерное излучение приходит на часть без покрытия. Таким образом, прохождение излучения через устройство при рабочем положении плазменных зеркал не контролируется, что может приводить к искажению пространственных и угловых характеристик мощного лазерного импульса на выходе. Помимо этого, за счет покрытия уменьшается площадь рабочей поверхности плазменных зеркал, что приводит к снижению количества мощных лазерных импульсов, которое может пропустить система без их замены.
Задачей изобретения является улучшение эксплуатационных характеристик системы, а именно создание устройства, стойкого к повреждению оптических элементов мощным лазерным излучением, с повышенной величиной достигаемого контраста, и без искажения пространственных и угловых характеристик проходящего мощного лазерного импульса.
Технический результат данного изобретения заключается в возможности системы работать с лазерными пучками различного поперечного размера и мощности, повышении точности юстировки устройства и достигаемого контраста благодаря применяемой системе контроля положения элементов оптической системы и применению плазменных зеркал со специальным покрытием, повышении стойкости к мощному лазерному излучению снижении стоимости устройства за счет применения параболических зеркал осевой конфигурации большого диаметра.
Это достигается тем, что устройство модуляции мощного лазерного излучения, содержащее вакуумную систему, состоящую из вакуумной камеры с входным и выходным отверстиями для лазерного излучения, оптическую систему, содержащую входной и выходной элеваторы, каждый из которых выполнен в виде двух плоских зеркал, параболические и плазменные зеркала, согласно изобретению, снабжено системой контроля положения элементов оптической системы, состоящей из вспомогательного лазера, устройства совмещения расходимостей, апертур и направлений вспомогательного и мощного лазерных излучений, устройства вывода вспомогательного лазерного излучения, размещенного перед устройством регистрации вспомогательного лазерного излучения, при этом вакуумная система оборудована, по меньшей мере, одной дополнительной вакуумной камерой, с установленными в ней параболическими зеркалами, соединенной с основной вакуумной камерой посредством сменного патрубка, в оптической системе параболические зеркала выполнены осевыми, а плазменные зеркала выполнены с диэлектрическим покрытием, а также основная вакуумная камера снабжена устройствами наблюдения плазменных зеркал.
Кроме того, с целью обеспечения плавного изменения расстояний между основной и дополнительной вакуумными камерами, сменный патрубок выполнен в виде сильфонного соединения.
Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленного изобретения, позволил установить, что заявителем не обнаружен аналог, характеризующийся признаками, идентичными всем существенным признакам заявленного изобретения, а определение из перечня выявленных аналогов прототипа, как наиболее близкого по совокупности признаков аналога, позволил выявить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявленном объекте, изложенных в формуле изобретения.
Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию «новизна» по действующему законодательству.
Для проверки соответствия заявленного изобретения условию изобретательского уровня заявитель провел дополнительный поиск известных решений с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявленного изобретения, результаты которого показывают, что заявленное изобретение не следует для специалиста явным образом из известного технического уровня техники.
Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию «изобретательский уровень».
Изобретение проиллюстрировано на чертеже (вид сверху) в исполнении с двумя дополнительными камерами и введены следующие обозначения:
1 - основная вакуумная камера;
2 - дополнительные вакуумные камеры;
3 - сменные патрубки;
4 - входной элеватор;
5 - выходной элеватор;
6, 7 - параболические зеркала;
8 - плазменные зеркала;
9 - вспомогательный лазер;
10 - устройство совмещения расходимостей, апертур и направлений вспомогательного и мощного лазерных излучений;
11 - устройство вывода вспомогательного лазерного излучения;
12 - устройство регистрации вспомогательного лазерного излучения;
13 - стеклянные окна для наблюдения плазменных зеркал;
14 - устройства наблюдения плазменных зеркал;
15 - входное отверстие для лазерного излучения;
16 - выходное отверстие для лазерного излучения.
Устройство модуляции мощного лазерного излучения состоит из вакуумной системы, состоящей из вакуумной камеры 1 с входным 15 и выходным 16 отверстиями для лазерного излучения, оптической системы, которая содержит входной элеватор 4 и выходной элеватор 5, каждый из которых выполнен в виде двух плоских зеркал, параболические зеркала осевые 6, 7 и плазменные зеркала 8, выполненные с диэлектрическим покрытием, системы контроля положения элементов оптической системы, состоящей из вспомогательного лазера 9, устройства совмещения расходимостей, апертур и направлений вспомогательного и мощного лазерных излучений 10, устройства вывода вспомогательного лазерного излучения 11, размещенного перед устройством регистрации вспомогательного лазерного излучения 12. Вакуумная система оборудована двумя дополнительными вакуумными камерами 2, с установленными в них параболическими зеркалами 6, 7, соединенными с основной вакуумной камерой 1 посредством сменного патрубка 3. Основная вакуумная камера 1 снабжена устройствами наблюдения плазменных зеркал 14.
Работа устройства модуляции мощного лазерного излучения осуществляется следующим образом. Через входное отверстие 15 устройства модуляции подается мощный вертикально поляризованный (плоскость поляризации перпендикулярна плоскости чертежа) лазерный импульс, обладающий плоским волновым фронтом. Сначала импульс проходит через входной элеватор 4, где его поляризация меняется с вертикальной на горизонтальную. Элеватор 4 направляет лазерный импульс в дополнительную вакуумную камеру 2, где размещено первое осевое параболическое зеркало 6. Основная 1 и дополнительная 2 камеры соединены патрубком 3. Далее параболическое зеркало 6 преобразует лазерное излучение в сходящийся пучок и направляет его последовательно на плазменные зеркала 8. Плазменные зеркала 8 снабжены прецизионными моторизованными перемещателями (на чертеже не показаны). Моторизованные перемещатели плазменных зеркал 8 необходимы для юстировки оптической системы, а также они позволяют сдвигать плазменные зеркала 8 на небольшое расстояние после прохождения мощного лазерного импульса, для того чтобы последующие импульсы не попадали в кратеры, образованные на поверхности предыдущими импульсами. На каждое плазменное зеркало 8 нанесено просветляющее диэлектрическое покрытие, которое эффективно пропускает излучение?? внутрь плазменного зеркала 8 и тем самым удаляет из оптического тракта низкоинтенсивное излучение с длиной волны мощного лазерного импульса, но отражает излучение с длиной волны вспомогательного лазера 9. Данное покрытие позволяет проводить через устройство модуляции излучение вспомогательного лазера 9, используемое для юстировки элементов оптической системы. После отражения от плазменных зеркал 8 лазерный импульс попадает на второе параболическое зеркало 7, которое преобразует его обратно в параллельный пучок и направляет на выходной элеватор 5. Выходной элеватор 5 меняет поляризацию лазерного импульса на вертикальную и направляет его сквозь выходное отверстие 16. Входной 4 и выходной 5 элеваторы, параболические зеркала 6, 7 и плазменные зеркала 8 оборудованы моторизованными перемещателями (на чертеже не показаны) для дистанционной юстировки с помощью системы контроля положения элементов оптической системы.
В предлагаемом устройстве модуляции мощного лазерного излучения параболические зеркала 6 и 7 выполнены осевыми, что позволяет при повреждении части их поверхности мощным лазерным излучением продолжить их использование после поворота вокруг оси симметрии. Осевые параболические зеркала 6 и 7 имеют существенно более низкую стоимость, по сравнению с обычно применяемыми внеосевыми зеркалами, что приводит к снижению общей стоимости устройства модуляции мощного лазерного излучения.
Благодаря специальному покрытию плазменных зеркал 8 данное устройство модуляции мощного лазерного излучения позволяет пропускать низкоинтенсивное излучение с длиной волны отличной от длины волны мощного лазерного импульса и с его помощью настраивать положение оптических элементов. Для этого применяют систему контроля положения элементов оптической системы, которая состоит из вспомогательного лазера 9, который направляет вспомогательное излучение через входное отверстие 15 устройства модуляции мощного лазерного излучения через устройство совмещения расходимостей, апертур и направлений вспомогательного и мощного лазерных излучений 10. Затем вспомогательное излучение с пространственными и угловыми характеристиками, совпадающими с таковыми для мощного лазерного импульса, направляют по тому же оптическому пути. Устройство вывода вспомогательного лазерного излучения 11 направляет вспомогательное излучение на устройство регистрации вспомогательного лазерного излучения 12. Анализ данных, получаемых устройством регистрации вспомогательного лазерного излучения 12, позволяет настраивать положения оптических элементов: входного 4 и выходного 5 элеваторов, параболических зеркал 6, 7 и плазменных зеркала 8.
В предлагаемом устройстве модуляции мощного лазерного излучения реализованы устройства наблюдения плазменных зеркал 14, которые регистрируют изображения области взаимодействия лазерного излучения с плазменными зеркалами через стеклянные окна 13. Данные устройства наблюдения плазменных зеркал 14 могут быть использованы как для настройки устройства модуляции мощного лазерного излучения, так и для измерения параметров области взаимодействия на плазменных зеркалах 8 при прохождении мощного лазерного импульса.
Использование предлагаемого изобретения позволило создать устройство модуляции мощного лазерного излучения стойкого к повреждению оптических элементов мощным лазерным излучением, с повышенной величиной достигаемого контраста, и без искажения пространственных и угловых характеристик проходящего мощного лазерного импульса.
Для заявленного изобретения в том виде, как оно охарактеризовано в формуле изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью вышеописанных конструктивных решений и способность обеспечения достижения указанного технического результата. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию «промышленная применимость».