АПОДИЗАТОР ЛАЗЕРНОГО ПУЧКА
APODIZATOR OF LASER BEAM

Изобретение относится к лазерной аподизирующей оптике и может быть использовано в лазерных системах любого типа, в том числе мощных фемтосекундных системах, применяемых, например, в научных исследованиях, лазерной технологии, медицине.
В лазерной физике под аподизацией понимается преобразование (сглаживание) профиля амплитуды (а в общем случае - и фазы) лазерного пучка с целью устранения нежелательной модуляции интенсивности, обусловленной дифракцией Френеля на краях оптических апертур. Активная разработка соответствующих устройств (аподизаторов) началась в 1970-х гг. в рамках программ создания мощных усилителей для лазерного термоядерного синтеза. Эффективность усиления лазерного излучения в режиме насыщения активной среды существенно зависит от профиля пучка на входе в усилитель. В однородной активной среде с фиксированной входной апертурой максимальное усиление при заданной входной энергии достигается для пучка прямоугольного профиля, заполняющего всю апертуру. Практически прямоугольный профиль можно сформировать при помощи жесткой диафрагмы, однако распространение такого пучка в ближней зоне, где находится усилитель, будет сопровождаться резкими и частыми выбросами интенсивности из-за дифракции Френеля, а в дальней зоне будет наблюдаться дифракционная картина, существенно отличающаяся от исходного профиля. Дифракционные перепады интенсивности, характерные для ближней зоны, в сочетании с нелинейностью активной среды могут приводить к различным нежелательным эффектам, при этом основную роль играет мелкомасштабная самофокусировка. Применение аподизаторов позволяет снизить влияние самофокусировки в активной среде и повысить энергосъем за счет лучшего заполнения апертуры усилителя [1-3].
Аподизатор может состоять из единственного оптического элемента - так называемой «мягкой» диафрагмы, обеспечивающей плавный спад интенсивности от центра к краям пучка за счет переменного коэффициента пропускания. В качестве мягкой диафрагмы предлагалось, в частности, использовать фотографические эмульсии с переменным почернением; одно- и многослойные диэлектрические покрытия или металлические слои переменной толщины; поглощающие растворы в кюветах переменной толщины; прозрачные материалы с неоднородным наведенным поглощением; ячейки Поккельса или Фарадея с неоднородными электрическим и магнитным полями; диэлектрические пластины с рассеивающими центрами, сформированными на поверхности или в объеме; жидкости с рассеивающими микро- или наночастицами переменной концентрации [3-8].
2
3
Для применения в мощных лазерных системах аподизаторы должны удовлетворять следующим требованиям: 1) достаточная лучевая стойкость; 2) высокий контраст >10-10 (определяемый как отношение коэффициентов пропускания в центре и на краях пучка); 3) высокое оптическое качество; 4) предсказуемость и воспроизводимость параметров в процессе изготовления и эксплуатации. Желательно также, чтобы изготовление элементов аподизатора не требовало применения уникальных и недостаточно отлаженных технологий.
Для фемтосекундных лазерных импульсов (в современной практике под фемтосекундными импульсами обычно подразумеваются импульсы длительностью менее 100 фс) необходимо учитывать дополнительное требование: аподизатор не должен вносить заметных пространственно-временных фазовых искажений. Это требование тем существеннее, чем короче импульс.
Практически ни одна из предложенных мягких диафрагм не удовлетворяет всем перечисленным выше требованиям. Получившие широкое распространение из-за простоты формирования заданного профиля пропускания мягкие диафрагмы, изготовленные фотографическими методами или напылением металлических слоев, не обладают высокой лучевой стойкостью [9]. Преодолеть недостатки одиночных мягких диафрагм можно путем использования цельнометаллических жестких диафрагм, намного более стойких к воздействию лазерного излучения, в сочетании с пространственным фильтром. В этом случае аподизация достигается в результате ограничения пространственного спектра пучка, сформированного жесткой диафрагмой. При использовании в пространственном фильтре только отражающей оптики такой аподизатор не вносит фазовых искажений и, следовательно, без каких-либо ограничений подходит для фемтосекундного диапазона длительностей.
Пространственный фильтр (ПФ), фактически представляющий собой телескоп Кеплера с ограничивающей диафрагмой в фокальной плоскости, одновременно выполняет функцию переноса изображения входной диафрагмы на заданное расстояние (в общем случае с масштабированием), т.е. работает как оптический ретранслятор [10]. Как правило, изображение диафрагмы переносится на выход лазерного усилителя или усилительного каскада.
Известен аподизатор, выполненный на основе круговой жесткой диафрагмы и пространственного фильтра [11], который позволяет сформировать близкий к прямоугольному профиль пучка с умеренной дифракционной модуляцией в пределах расстояния, на которое переносится изображение диафрагмы. Размер ограничивающей диафрагмы ПФ подбирается таким образом, чтобы отсечь высшие пространственные частоты, соответствующие резким и частым колебаниям интенсивности. Однако даже при оптимальной фильтрации глубина остаточной низкочастотной модуляции краев пучка на выходе усилителя достигала 25%, при этом на промежуточных расстояниях, согласно результатам численного моделирования, следует ожидать ее увеличения. (Здесь и далее максимум интенсивности принимается за единичный уровень.) Для дальнейшего сглаживания профиля авторы [11] предложили использовать жесткую диафрагму с зубчатым краем («зубчатую диафрагму»), однако не привели методику ее расчета и результаты соответствующих экспериментов; судя по отсутствию дальнейших публикаций, работа в этом направлении была прекращена.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению является аподизатор на основе зубчатой диафрагмы и пространственного фильтра [12]. Функция пропускания такого аподизатора определяется профилем зубцов. Ограничимся для простоты рассмотрением зубчатых диафрагм круглой формы, которые имеют непосредственное отношение к предмету изобретения. Усредненное по азимутальному углу амплитудное пропускание такой диафрагмы в области зубцов на расстоянии r от ее центра равно отношению общей длины открытых участков, измеренных вдоль окружности радиуса r, к длине этой окружности. Усреднение выполняется пространственным фильтром. При этом из-за обрезания высших пространственных частот происходит сглаживание переломов профиля, возникающих на вершинах и впадинах зубцов.
Для эффективного подавления периодической составляющей необходимо выполнение двух условий [12]:
где а - радиус диафрагмы ПФ, λ - длина волны лазерного излучения, f - фокусное расстояние объектива ПФ, Т - период зубчатого профиля, k - коэффициент, зависящий от формы отверстия зубчатой диафрагмы (k=0.5 для квадратного отверстия, k≈0.61 для круглого), и
где Н - высота зубчатого профиля.
F
2
По сравнению с аподизатором на основе жесткой диафрагмы с ровным краем [11], аподизатор с зубчатой диафрагмой [12] обеспечивает намного лучшее подавление дифракционной модуляции профиля лазерного пучка (типичная глубина остаточной модуляции <5%) за счет сглаживания профиля не только пространственным фильтром, но и самой диафрагмой, при этом степень сглаживания легко регулируется изменением параметров зубцов диафрагмы, что позволяет достигать оптимального заполнения апертуры лазерного усилителя в более широком диапазоне чисел Френеля (число Френеля N=(Ma)n/λ, где а - эффективный радиус зубчатой диафрагмы, M - геометрический коэффициент увеличения ПФ, n - показатель преломления среды, L - расстояние, на которое распространяется пучок).
F
F
F
Недостаток аподизатора с зубчатой диафрагмой [12] состоит в том, что он перестает формировать пучок с удовлетворительным качеством на расстояниях, соответствующих числам Френеля N<10…20, что, в свою очередь, ограничивает допустимую длину усиления и, как следствие, максимальную достижимую энергию на выходе усилителя. Это ограничение не представляет проблемы для твердотельных лазерных усилителей, в которых длина усиления в одном каскаде и диаметр пучка обычно таковы, что N~100 и более (особенно при наличии ПФ, обеспечивающих перенос изображения с выхода одного каскада на выход следующего; в этом случае в точке, куда переносится изображение, формально N=∞). Однако в газовых активных средах на основе широкополосных молекулярных переходов, в частности, XeF(C-A), для которых характерен относительно низкий коэффициент усиления, формирование пучков с большими числами Френеля технически трудновыполнимо из-за большой длины пути в активной среде. На выходе таких усилителей число Френеля может составлять менее 5.
F
Техническим результатом, получаемым в изобретении, является формирование лазерного пучка с высоким коэффициентом заполнения апертуры, распространяющегося без значительных дифракционных искажений профиля интенсивности на расстояния, соответствующие числам Френеля N≈2…3.
d
out
d
in
out
in
d
d
out
d
Указанный технический результат достигается тем, что в аподизаторе лазерного пучка, включающем зубчатую диафрагму с радиусом окружности вершин зубцов R и пространственный фильтр, зубчатая диафрагма дополнена корректирующим элементом, выполненным в виде установленного соосно с диафрагмой непрозрачного кольца с внешним радиусом R<R и внутренним радиусом R, причем R-R<<R, R-R<<R.
d
Корректирующий элемент может быть установлен в плоскости зубчатой диафрагмы или на некотором расстоянии от нее, не превышающем ~10R. Выбор места установки определяется технологией изготовления элементов аподизатора и соображениями удобства.
Введение корректирующего элемента повышает однородность пространственного профиля лазерного пучка, что, в свою очередь, повышает порог развития самофокусировки, препятствующей увеличению интенсивности излучения в лазерном усилителе, а также уменьшает нелинейные пространственно-временные фазовые искажения, снижающие эффективность временной компрессии и пространственной фокусировки усиленного лазерного импульса. В результате повышается максимально достижимая энергия на выходе усилителя, а также интенсивность сфокусированного лазерного пучка.
Таким образом, преимуществом предлагаемого аподизатора по сравнению с прототипом [12] является возможность формирования лазерного пучка с высоким коэффициентом заполнения апертуры и достаточно низким уровнем дифракционной модуляции в более широком (в 2-3 раза и более) диапазоне расстояний.
d
v
out
d
in
out
in
out
d
out
d
Аподизатор (фиг. 1) выполнен на основе зубчатой диафрагмы 1 с внутренним радиусом (радиусом окружности вершин зубцов) R и радиусом окружности впадин R (фиг. 2) и пространственного фильтра 3, при этом соосно с зубчатой диафрагмой установлен корректирующий элемент 2 в виде непрозрачного кольца с внешним радиусом R<R и внутренним радиусом R. Кольцо выполнено тонким, R-R<<R, а его внешний радиус близок к внутреннему радиусу диафрагмы, R-R<<R. Пространственный фильтр состоит из входной линзы 4, в фокальной плоскости которой установлена ограничивающая диафрагма 5, и выходной линзы 6, обеспечивающей коллимацию лазерного пучка. Вместо линз 4 и 6 могут быть использованы сферические или асферические зеркала; такая схема является предпочтительной в фемтосекундном диапазоне длительностей лазерных импульсов, так как позволяет исключить пространственно-временные фазовые искажения, связанные с прохождением импульса через материал линз.
Кольцо может быть установлено в плоскости зубчатой диафрагмы или на некотором расстоянии от нее. При компланарной установке кольцо целесообразно выполнять как одно целое с диафрагмой, например, методом лазерной резки из металлической фольги, при этом кольцо фиксируется относительно зубцов при помощи тонких перемычек, число и положение которых выбираются так, чтобы не оказывать существенного влияния на профиль выходного пучка при сохранении механической стабильности кольца. На фиг. 3 представлен допустимый вариант конструкции зубчатой диафрагмы с интегрированным кольцом. Кольцо поддерживается восемью перемычками 7, сформированными в процессе резки. Такая конструкция является предпочтительной, поскольку отпадает необходимость в отдельном креплении и последующей юстировке кольца.
d
Если применяемая технология не позволяет изготовить кольцо как часть диафрагмы, то оно может быть изготовлено отдельно (например, из проволоки подходящей толщины) и установлено на таком расстоянии от диафрагмы, чтобы обеспечить удобство юстировки в плоскости, перпендикулярной оси пучка, при сохранении положительного эффекта. Чем дальше кольцо от диафрагмы, тем менее выраженным будет сглаживание профиля пучка; ориентировочной границей допустимого диапазона расстояний как в одну, так и в другую сторону от диафрагмы можно считать величину ~10R.
v
d
out
in
d
d
out
d
v
d
F
0
d
in
d
out
d
out
in
out
in
d
-2
Размеры корректирующего элемента зависят от длины волны лазерного излучения, отношения радиуса окружности впадин зубцов диафрагмы R к радиусу окружности их вершин R, а также (в меньшей степени) от профиля входного пучка и расстояния, на котором требуется получить максимальное сглаживание, при сохранении общих условий R-R<<R, R-R<<R. Например, для R/R=1.6 путем численного моделирования установлено, что для эффективного сглаживания профиля пучка с длиной волны 488 нм в диапазоне чисел Френеля N≥2 при гауссовом входном пучке радиуса R=2.5…10R (по уровню интенсивности е) кольцо должно иметь следующие размеры: R=0.96R, R=0.97R. При этом ширина кольца R-R и его средний радиус (R-R)/2 должны выдерживаться с точностью не хуже 0.05R, что соответствует возможностям коммерческих технологий лазерной резки при внутреннем радиусе зубчатой диафрагмы ~ 1 см.
SF
Для получения положительного эффекта от использования корректирующего элемента необходимо, чтобы радиус ограничивающей диафрагмы пространственного фильтра R удовлетворял, кроме (1), дополнительному условию. Путем численного моделирования установлено, что наилучшее сглаживание профиля пучка достигается при
1
d
v
d
1
d
где b=Kλf/R - радиус первого минимума дифракционной картины в фокальной плоскости. Коэффициент K, зависящий от отношения R/R и радиуса входного гауссова пучка, близок к единице для всех представляющих практический интерес значений этих величин (в том числе указанных выше в качестве примера), поэтому в (3) можно положить b=λf/R.
v
d
v
d
SF
SF
Если параметры зубчатой диафрагмы выбраны так, что 1<R/R≤2, то условие (3) сильнее ограничивает радиус диафрагмы ПФ, чем условие (1) в сочетании с (2). В частности, в приведенном выше примере (R/R=1.6) величина R должна лежать в диапазоне 0.25a…0.5а. На практике целесообразно выбирать R вблизи верхней границы диапазона (с учетом технологических допусков), чтобы снизить требования к точности изготовления и уменьшить вероятность повреждения краев отверстия при возможных отклонениях фокального пятна от центра диафрагмы.
Предпочтительной формой зубцов диафрагмы является треугольник, соответствующий условию (2). Эта форма не является оптимальной с точки зрения получения максимально гладкого профиля пучка; оптимальной является более сложная форма, зависящая, вообще говоря, от распределения интенсивности исходного пучка в плоскости диафрагмы (так, в случае равномерного распределения края зубцов должны описываться гауссовой функцией [12]). Однако на практике зубцы оптимальной формы, будучи значительно сложнее в изготовлении, не имеют существенного преимущества перед треугольными [13].
Одной из технических проблем, возникающих при изготовлении зубчатой диафрагмы, является обеспечение остроты впадины между соседними зубцами. Если впадина выполнена закругленной, то интенсивность на краю пучка спадает более резко, что приводит к увеличению дифракционной модуляции при последующем распространении пучка. Острота впадины определяется возможностями той технологии, которая применяется для изготовления диафрагмы. Например, в случае лазерной резки минимальный радиус закругления впадины примерно равен радиусу сфокусированного пучка. Для вершины зубца такого ограничения нет: формирование вершины как точки пересечения двух линий реза позволяет получать радиус закругления значительно меньше технологического разрешения.
Для решения этой проблемы было предложено изготавливать зубчатую диафрагму из двух идентичных зубчатых диафрагм, наложенных друг на друга с угловым сдвигом, равным половине углового шага зубцов [14]. Однако такое усложнение и удорожание конструкции на практике оказывается нецелесообразным. Пространственный фильтр с ограничивающей диафрагмой, радиус которой соответствует приведенному выше условию максимального сглаживания профиля пучка, эффективно подавляет высокочастотную дифракционную модуляцию, вызванную технологическим притуплением впадин.
1
Аподизатор работает следующим образом. Входной пучок, прошедший через зубчатую диафрагму 1 с корректирующим элементом 2, фокусируется линзой 4 с фокусным расстоянием f. Распределение интенсивности в фокальной плоскости соответствует пространственному фурье-спектру пучка. В частности, периодическая структура зубцов дает спектр в виде азимутально-модулированных концентрических колец убывающей интенсивности, наименьшее из которых имеет внутренний радиус, определяемый условием (1). Ограничивающая диафрагма 5, установленная в фокальной плоскости и удовлетворяющая условию (3), обрезает высшие пространственные частоты, что приводит к 1) устранению азимутальной модуляции пространственного профиля пучка, связанной с наличием зубцов; 2) сглаживанию дифракционных картин от зубчатой диафрагмы и корректирующего элемента, что необходимо для получения положительного эффекта.
2
2
1
F
v
d
0
d
F
F
Расходящийся за фокальной плоскостью пучок коллимируется линзой 6 с фокусным расстоянием f, при этом радиус выходного пучка относится к радиусу входного как f:f. Пространственный профиль сформированного таким образом пучка в области больших чисел Френеля (до N~10) близок к  где А(r) - амплитуда электрического поля, Т(r) - геометрическое пропускание зубчатой диафрагмы. При дальнейшем увеличении расстояния профиль существенно искажается за счет низкочастотной дифракционной модуляции. Согласно выполненным расчетам, подтвержденным экспериментально, для зубчатой диафрагмы с R/R=1.6 и пучка с радиусом R=2.5R глубина модуляции без корректирующего элемента при N=2.8 достигает 35%. Введение корректирующего элемента уменьшает глубину модуляции до 15% за счет того, что на вершине профиля дифракционная картина от тонкого кольца с размерами по изобретению в указанном диапазоне расстояний близка к инвертированной дифракционной картине от зубчатой диафрагмы. К границе ближней зоны (N~1) действие корректирующего элемента значительно ослабевает, и в дальней зоне практически прекращается. При больших числах Френеля корректирующий элемент не играет существенной роли.
F
Таким образом, данное изобретение решает задачу формирования аподизированного лазерного пучка с высоким коэффициентом заполнения апертуры, распространяющегося без значительных дифракционных искажений профиля интенсивности на расстояния, соответствующие числам Френеля N~2…3. При использовании цельнометаллической зубчатой диафрагмы и отражающей оптики в пространственном фильтре аподизатор обладает высокой лучевой стойкостью и не вносит значительных пространственно-временных фазовых искажений, что позволяет применять его в фемтосекундных лазерных системах.
Литература
1. Campillo A.J., Pearson J.Ε., Shapiro S.L., Terrell N.J., Jr. Fresnel diffraction effects in the design of high-power laser systems. Appl. Phys. Lett. 23 (2), 85-87 (1973).
2. Баранова H.Б., Быковский Η.Ε., Зельдович Б.Я., Сенатский Ю.В. Дифракция и самофокусировка излучения в усилителе мощных световых импульсов. Квант, электрон. 1 (11), 2435-2458 (1974).
3. Costich V.R., Johnson В.С. Apertures to shape highpower beams. Laser Focus 10 (9), 43-46 (1974).
4. Лукишова С.Г., Красюк И.К., Пашинин П.П., Прохоров А.М. Аподизация световых пучков как метод повышения яркости лазерных установок на неодимовом стекле. Труды ИОФАН 7, 92-147 (1987).
5. Зубарев И.Г., Пятахин М.В., Сенатский Ю.В. Способ формирования мягкой диафрагмы. Патент РФ №2140695 (1999).
6. Сенатский Ю.В. Мягкая диафрагма для лазеров. Патент РФ №2163386 (2001).
7. Сенатский Ю.В., Бурцев А.В., Быковский H.Е., Уеда Кен-ичи. Аподизатор для пучка лазерного излучения. Патент РФ №2229762 (2003).
8. Колеров А.Н., Онищенко Д.В., Руклов Д.С. Способ формирования мягкой диафрагмы. Патент РФ №2433515 (2011).
9. Мак Α.Α., Соме Л.Н., Фромзель В.Α., Яшин В.Е. Лазеры на неодимовом стекле. - М.: Наука (1990).
10. Hunt J.T., Renard P.A. Spatial filter system as an optical relay line. Патент США №4158176 (1979).
11. [Аналог] Алексеев В.Н., Жилин А.Н., Стариков А.Д., Чернов В.Н. Формирование пространственного профиля пучка в лазерном усилителе с помощью системы жесткая диафрагма - пространственный фильтр. Квант, электрон. 7 (9), 2043-2046 (1980).
12. [Прототип] Auerbach J.M., Karpenko V.P. Serrated-aperture apodizers for high-energy laser systems. Appl. Opt. 33 (15), 3179-3183 (1994).
13. Bontoux T., Saiki T., Kanabe T., Fujita H., Nakatsu M. Study of serrated aperture for a Cassegrain booster amplifier. Opt. Rev. 5 (4), 234-241 (1998).
14. Matsumoto O., Kawashima T., Kanabe T. Optical mask and ΜΟΡΑ laser apparatus including the same. US Patent No. 7599106 (2009).