ЛЕК Устр и действ / Устройство и действие Л-12

Расходимость излучения лазеров (3)

При выполнении этого условия можно ограничиться рассмотрением задачи только вблизи оси

(параксиальное приближение). Под расходимостью лазерного излучения понимают угол пределах которого содержится определенная доля мощности или энергии лазера. Для

Гауссовых пучков в пределах угла расходимости интенсивность пучка падает в e2 раз. Для остальных угол расходимости определяется направлением на первые дифракционные

минимумы. Обозначая долю лазерного излучения, заключенного в угле расходимости, как γ,

можно оценить плотность энергии излучения q на расстоянии L:

q = γ × Eл /(L × Θ)2

где Eл - энергия излучения на выходе из лазера. Размер фокального пятна при фокусировке лазерного излучения без учета аберраций:

dF = Θ × f,

где f - фокусное расстояние оптической системы. При расфокусировке размеры пятна возрастают:

dF2 = (Θ × f)2 + (λ /Θ)2 × ( f / f) 2,

где ( f / f) - степень расфокусировки.

Наименьший дифракционный угол расходимости при одинаковой выходной апертуре наблюдается для пучков с Гауссовым распределением интенсивности и только для них сохраняется профиль радиального распределения интенсивности по мере удаления от лазера. Независимо от формы выходной апертуры важнейшее знание для угловой расходимости

лазерного излучения имеют ее поперечные размеры (вернее, отношение λ / d). Поэтому для решения задач, связанных с передачей энергии лазерного излучения на большие расстояния, необходимо использовать специальные формирующие телескопические системы,

на выходе которых получаются пучки с большими поперечными сечениями.

Расходимость излучения лазеров (2)

Расходимость лазерного излучения на больших расстояниях от источника (в дальней зоне) определяется пространственной когерентностью выходного пучка, которая зависит от оптического качества активной среды лазера и характеристик резонатора. Картина распределения интенсивности в дальнем поле (а) может быть получена с помощью скалярной теории дифракции, позволяющей рассчитать распределение интенсивности в любой точке на пути распространения

излучения по известному распределению

электромагнитного поля в выходном устройстве лазера. Распределение интенсивности излучения монохроматического пучка в фокальной плоскости линзы (б) эквивалентно распределению интенсивности в

дальней зоне. Это следствие того, что

построение изображений с помощью сферических линз и зеркал является частным случаем более общего подхода. В основе решения лежит математическое описание принципа Гюйгенса-Френеля: амплитуда волны в любой точке

плоскости изображения является суперпозицией (суммой) сферических волн, исходящих с

поверхности источника электромагнитного излучения:

Z>>π (X02 + Y02)max/λ ≈ π×d2/λ

Расходимость излучения лазеров (6)

Распределение фазы в выходном сечении является определяющим для формирования распределения интенсивности в плоскости изображения, и именно это оказывается причиной того, что для различных форм выходной апертуры (т. е. различных распределений интенсивности в плоскости объекта) распределения интенсивности в плоскости изображения подобны.

Вто же время нарушение фазовой однородности излучения сразу приводит к существенному изменению распределения интенсивности излучения в плоскости изображения и к ухудшению расходимости лазерного луча (рис.в).

Причинами пространственной некогерентности лазерного луча и искажений фазового фронта могут быть многомодовый характер излучения, недостаточное качество поверхности зеркал резонатора или формирующей оптики, а также оптические неоднородности активной среды.

Вслучае многомодовой структуры пучка, состоящего из n отдельных некогерентных между собой пучков, для нахождения распределения интенсивности в дальней зоне угловую

расходимость определяют исходя из размера наименьшего пучка dmin, т. е.

Θ ~ λ / dmin ~ (λ / d)√n ,

где d - общая апертура излучения. Для исключения отрицательного влияния формы зеркал на фазовые искажения лазерного излучения требуется высокое качество обработки зеркальных поверхностей. Так, отклонение от заданной формы по всей поверхности не должно превышать

λ/25, а высота микронеровностей должна быть менее λ /100, для оптики видимого

диапазона соответствует сотым долям микрона. Эти требования необходимо обеспечить в условиях реальных силовых и тепловых нагрузок лазера. Очевидно, что указанные требования

относятся и к точности взаимного расположения зеркал в резонаторе (точности юстировки зеркал). Наибольшее распространение в маломощных непрерывных лазерах получили стеклянные или кварцевые зеркала с диэлектрическим покрытием. Диэлектрические покрытия могут обеспечить высокие коэффициенты отражения (почти до 100 %) при поглощении порядка долей процента. Для мощных лазеров зеркала целиком изготавливаются из металла с

высокой теплопроводностью с золотым или серебряным покрытием. Если теплопроводность

материала зеркал оказывается недостаточной для стационарной работы в условиях больших тепловых нагрузок, то используют охлаждаемые зеркала.

Оптическое качество активной среды (1)

Помимо возмущений, связанных с качеством покрытий зеркал и их разъюстировкой, в лазерах могут возникать дополнительные возмущения фазы, связанные с наличием в резонаторе активной среды. Неоднородность оптических характеристик активной среды, прежде всего разные скорости распространения электромагнитного излучения в различных областях, приводит к изменению фазового фронта световой волны при ее прохождении через активную среду.

Причинами появления неоднородностей могут быть как исходные характеристики активных сред лазеров (неоднородности распределения оптических свойств т/т кристаллов и стекол,

связанные с их изготовлением, неоднородности распределения плотности газовых сред,

обусловленные их движением в резонаторе), так и воздействие иа рабочее тело накачки. Например, при оптической накачке твердотельных лазеров происходит неравномерное поглощение энергии в поперечном сечении активной среды, что, в свою очередь, вызывает возникновение термических напряжений и деформаций рабочего тела и оказывает сильное влияние на оптические свойства.

Вжидких активных телах также возникают значительные оптические неоднородности, связанные с неравномерностью накачки, вследствие чего расходимость излучения существенно возрастает. Поэтому в таких лазерах трудно получить дифракционную расходимость лазерного излучения вместе с высокими энергетическими характеристиками. Неоднородности газовых активных сред существенно меньше, что, в первую очередь, объясняется меньшей плотностью газа по сравнению с твердыми телами и жидкостями. Поэтому в газовых лазерах небольшой мощности с неподвижной газовой средой сравнительно

легко обеспечивается дифракционная расходимость излучения. Однако с ростом поперечных

размеров активных сред и переходу к лазерам с движущимися средами также появляются проблемы, связанные с достижением высокого качества излучения.

Вэлектроразрядных лазерах с поперечным разрядом возникают существенные неоднородности распределения температуры и плотности, а следовательно, и коэффициента преломления по объему активной среды из-за особенностей пространственных характеристик электрического разряда в движущейся плазме.

Оптическое качество активной среды (2)

Для мощных непрерывных лазеров характерна большая протяженность активной среды в направлении распространения излучения. Очевидно что ее оптическая однородность является важнейшим фактором, определяющим возможность достижения расходимости лазерного излучения, близкой к дифракционному сильно усложняется при масштабном укрупнении системы, поскольку принципы, которые используются при создании лабораторных стендов, могут значительно изменяться при разработке крупномасштабных лазерных установок.

Сверхзвуковой поток за срезом соплового блока имеет оптические неоднородности с характерной ромбовидной структурой скачков уплотнения (рис.), образующихся при взаимодействии струй, истекающих из индивидуальных сопл, и следов, обусловленных стекающими со стекол сопл пограничными слоями. С увеличением расстояния от среза блока

уровень оптических неоднородностей уменьшается, поэтому искажения волнового фронта,

прошедшего через активную среду излучения, так» снижаются вниз по потоку (рис.).

Степень оптической однородности активной среды непрерывных химических лазеров (HF(DF)- НХЛ), работа которых основана на сверхзвуковом смешении двух химически реагирующих потоков компонентов, один из которых содержит атомарный фтор (поток окислителя), а другой - водород (поток вторичного горючего), определяется не только ударными волнами, спутными следами, распределением концентраций компонентов и мелкомасштабными турбулентными

пульсациями, но и химической реакцией с интенсивным тепловыделением в сверхзвуковом

потоке. Это обстоятельство может быть существенным препятствием на пути достижения расходимости лазера, близкой к дифракционной.

Оптическое качество активной среды (3)

Картина течения активной среды в сверхзвуковом непрерывном химическом лазере, полученная методом интерферометрии (рис.), показывает структуру течения

смешивающихся химически

реагирующих сверхзвуковых струй. Искажения фазовой поверхности наблюдаются по всей апертуре. Четко выделяются возмущения двух основных масштабов:

крупномасштабная периодическая Интерферограмма газового потока и восстановленный волновой фронт

модуляция фазы, определяемая особенностями формирования всей блочной струи и химической реакцией за срезом СБ, и мелкомасштабная, являющаяся следствием взаимодействия соседних осесимметричных сверхзвуковых струй. Оптическое качество среды определяется масштабом, соизмеримым с высотой СБ.

Благодаря такой особенности регулярных газодинамических структур, образованных мелкомасштабными соплами, как сильная зависимость оптического качества среды от угла

наклона оптической оси к оси симметрии блока, мелкомасштабная периодическая модуляция

фазы может быть устранена соответствующей ориентацией рядов сопел в СБ относительно направления вывода излучения. При оптимальных углах наклона, для которых обеспечивается хорошее взаимное перекрытие неоднородностей от соседних сопл диаграмма направленности будет близкий к дифракционной, в то время как для той же активной среды, но ориентированной неоптимально относительно проходящего излучения, расходимость излучения существенно увеличивается.

Тем не менее, распределение интенсивности в дальней зоне и в этом случае характеризуется центральным максимумом, в котором сосредоточена основная энергия излучения.

Оптическое качество активной среды (4)

Качество излучения твердотельных лазеров может быть очень разным для разных систем. Многие не слишком мощные лазеры, в частности, твердотельные лазеры, работающие в одномодовом режиме, волоконные лазеры на основе одномодовых волокон, обладают очень хорошим оптическим качеством близким к дифракционному пределу (М2 лишь немногим больше 1) . С другой стороны, некоторые лазеры с высокой мощностью могут иметь очень большой параметр M2, больше, чем 100 или даже значительно выше 1000.

Твѐрдое состояние активной среды и относительно высокий коэффициент усиления — качества, обеспечивающие основные преимущества ТТЛ, являются, в то же время, причиной сложностей достижения высокого качества излучения. Из-за неоднородности распределения накачки по объѐму поглощения, сравнительно невысокой теплопроводности диэлектрических

кристаллов и стекол, одновременного действия нагрева и охлаждения в объѐме активной

среды возникают неоднородности распределения усиления и температуры.

Температурная неоднородность приводит к различным термическим эффектам: локальному возмущению показателя преломления среды, наведѐнному двулучепреломлению, искажению формы активного элемента и др. Все эти факторы приводят к увеличению расходимости, ухудшению однородности распределения интенсивности в пучке и к ограничению

энергетических характеристик. Из указанных факторов неоднородность показателя

преломления играет существенную роль в искажении реального резонатора и ухудшении пространственных характеристик излучения мощных твердотельных лазеров. Энергетические, пространственные характеристики излучения, искажение активной среды в твердотельных лазерах тесно связаны также и с системой накачки. Лампы газового разряда традиционно являются одним из основных мощных источников излучения для накачки. Их главный недостаток состоит в низкой мощности в нужных спектральных полосах поглощения активной среды по сравнению с мощностью всего спектра излучения.