автореферат диссертации по электронике, 05.27.03, диссертация на тему:Масштабы фазовой аберрации активного элемента и пути управления качеством изучения в лазерах на неодимовом стекле

Институт Лазерной Техники я« Технологий Балтийского Государственного Технического Университета "ВОЕНМЕХ" им. Д.Ф.Устинова

СТРАХОВ СЕРГЕЙ ЮРЬЕВИЧ

МАСШТАБЫ ФАЗОВОЙ АБЕРРАЦИИ АКТИВНОГО ЭЛЕМЕНТА И ПУТИ УПРАВЛЕНИЯ КАЧЕСТВОМ ИЗЛУЧЕНИЯ В ЛАЗЕРАХ НА НЕОДИМОВОМ СТЕКЛЕ

Специальность 05.27.03 - квантовая электроника

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

на правах рукописи

Научный руководитель: к.т.н., проф. А.В.ИВАЩЕНКО

Санкт-Петербург 1999

СОДЕРЖАНИЕ

стр.

Список сокращений и условных обозначений....................................................... 4

ВВЕДЕНИЕ................................................................................................. S

1. ТЕРМООПТИЧЕСКИЕ АБЕРРАЦИИ В ТВЕРДОТЕЛЬНЫХ ЛАЗЕРАХ: СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧА ИССЛЕДОВАНИЯ.................................... Я

1.1. Тепловыделение в активной среде твердотельных лазеров. Тепловое и напряженно-деформированное состояние активных элементов...................... Я

1.2. Термооптические аберрации и их влияние на параметры излучения твердотельных лазеров....................... .........................:............................го

& .3. Подходы к компенсации термооптических искажений волнового фронта..... 32

Выводы по главе 1............................ ............................................................ нн

2. МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ОПТИЧЕСКОГО КАЧЕСТВА АКТИВНЫХ СРЕД ТВЕРДОТЕЛЬНЫХ ЛАЗЕРОВ................................................................. П $

2.1. Критерии качества излучения и оценка эффективности лазерной системы.... 45

2.2. Экспериментальная диагностика лазерной активной среды........ ..............

2.2.1. Использование интерферометра бокового сдвига для исследования фазовых неоднородностей в активной среде............ ...................... -56'

2.2.2. Поляризационно-оптический анализ термонапряженного состояния активных элементов............................................................... 6 7

2.2.3. Особенности экспериментальной диагностики........... .................. 64

2.3. Численное моделирование процессов в активной среде твердотельных лазе- , ров.............................................................................................

2.3.1. Расчет распределения радиации накачки и структуры объемного тепловыделения в активной среде..................................................

чг

2.3 .2. Моделирование полей температуры и напряженно-

деформированного состояния активного элемента........................ ~г т

2.3.3. Методика анализа многомасштабности фазовых возмущений волнового фронта и особенности решения дифракционной задачи............

Выводы по главе 2.

¿7

3. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ ОПТИЧЕСКИХ НЕОДНОРНОСТЕЙ АКТИВНОЙ СРЕДЫ ВЫСОКОЭНЕРГЕТИЧНОГО ЛАЗЕРА НА НЕОДИМОВОМ СТЕКЛЕ....................................................................... $8

3.1. Структура фазовых искажений в активном элементе импульсного твердотельного лазера..................................................................... 8%

3.2. Особенности формирования оптически неоднородной среды при ,;7 импульсно-периодической накачке.....................................................

. 3.3. Эффект деполяризационной потери контраста интерференционного поля

при диагностике цилиндрических твердотельных матриц......................... / / /

3.4. Особенности термонапряженного и оптического состояния цилиндрических активных элементов при азимутальной неоднородности накачки............... /¿С'

3.5. Масштабы фазовой аберрации активного элемента и их влияние на • характеристики излучения твердотельных лазеров.................................. < '

Выводы по главе 3...................................................'..................................... !ЗВ

4. УЛУЧШЕНИЕ ОПТИЧЕСКОГО КАЧЕСТВА ИЗЛУЧЕНИЯ И ПУТИ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ТВЕРДОТЕЛЬНЫХ ЛАЗЕРОВ................. 1^0

4.1. Пассивная коррекция искажений волнового фронта............ .....................

4.2. Практика пассивной коррекции фазовых неоднородностей активной среды твердотельных лазеров.....................................................................

4.2.1. Подходы к параметрической оптимизации лазера-усилителя на неодимовом стекле................................................................

4.2.2. Метод фазового сопряжения в задаче компенсации наведенного двулучепреломления и искажений волнового фронта в цилиндрических активных элементах..........................................

4.2.3. Апертур ное диафрагмирование - возможность повышения интенсивности излучения в зоне использования............................

\

4.3. Некоторые рекомендации по управлению оптическим качеством излучения твердотельных лазеров....................... .............................................. /7/

Выводы по главе 4.............................. ........................................................... /Н

ЗАКЛЮЧЕНИЕ............................................................................................

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ............................................................................... /¿7

Список сокращений и условных обозначений. Сокращения:

ТЛ - твердотельный лазер; АЭ - активный элемент; АС - активная среда; ВФ - волновой фронт;

ИР - режим одиночных импульсов (импульсный режим);

ИПР - импульсно-периодический режим;

ЛН - лампа накачки;

ФС - фазовое сопряжение;

АД - апертурное диафрагмирование;

/ЩИ - диаграмма направленности излучения.

Условные обозначения:

Д, - радиус активного элемента; /0 - длина активного элемента; Ш- число Био;

Лт - коэффициент теплопроводности;

ат - коэффициент температуропроводности;

ат - коэффициент линейного температурного расширения;

Е - модуль Юнга;

ц - коэффициент Пуассона;

{О / <90 )0 8 - нормированный угол расходимости;

А<ртз - среднеквадратичный разброс фазы;

5/г- число Штреля;

- полная энергия тепловыделения в активной среде за импульс накачки, отнесенная к массе активного элемента.

ВВЕДЕНИЕ.

Эффективность лазерной системы, как известно, в равной степени определяется двумя факторами: энергией (мощностью) и качеством излучения. Одним из основных показателей качества излучения является однородность ВФ, которая может характеризоваться, например, степенью отличия формы ВФ от плоской. Важность этого показателя особенно очевидна, если применение лазера сопряжено с транспортировкой излучения на значительные расстояния или его фокусировкой. И в том, и в другом случае использование излучения происходит в дифракционной зоне Фраунгофера, где плотность лучевой энергии определяется фурье-преобразованием фазора светового поля в апертуре лазера [1,2]. Возможные отклонения амплитудного и особенно фазового распределения от равномерного будут приводить к увеличению расходимости излучения по сравнению с дифракционным пределом и, в конечном счете, к уменьшению плотности лучевой энергии в зоне использования.

Одной из главных причин ухудшения качества излучения, т.е. возникновения искажений ВФ, являются оптические неоднородности АС [1]. В этом аспекте можно утверждать, что повышение эффективности лазера неразрывно связано и с решением проблемы оптического качества АС.

Широкое распространение в различных областях науки, техники и производства получили лазеры на неодимовом стекле [3,4,5,43]. К числу их несомненных достоинств следует отнести удобные для оптической накачки полосы поглощения, хорошие люминесцентные свойства, технологичность и, конечно, высокую оптическую однородность стеклянных матриц [3]. Современные технологии изготовления лазерных стекол позволяют получать АЭ с весьма низким градиентом показателя преломления. Поэтому основной причиной фазовых аберраций АЭ являются оптические неоднородности, проявляющиеся в процессе функционирования ТЛ и связанные с макроэнергетическим балансом и процессами перераспределения тепла в АС.

Основные причины и механизмы возникновения термооптических неоднородностей достаточно хорошо изучены [1,3,6]. Однако до сих пор мало исследованными остаются вопросы, касающиеся особенностей термонапряженного состояния и структуры фазовой аберрации АЭ, обусловленных пространственно-временной неоднородностью функции тепловыделения в АС. Особый интерес в этом плане представляют крупноразмерные АЭ, накачка которых осуществляется в многоламповых осветителях. В этом случае пространственное распределение радиации накачки и тепловыделения будет иметь достаточно сложный характер, обусловленный как зна-

чительной оптической толщиной АЭ, приводящей к существенной неоднородности тепловыделения в направлении "поверхность-центр" АЭ, так и неравномерностью засветки АЭ лампами накачки, что, в свою очередь, вызовет неоднородность тепловыделения вдоль поверхности АЭ.

На сегодняшний день существует достаточно широкий арсенал методов борьбы с термоволновыми аберрациями в ТЛ. К наиболее перспективным, активно развивающимся в настоящее время относятся методы, связанные с использованием дисковых АЭ [3,7,8], поиском новых АС с улучшенными термооптическими характеристиками [3,6], а также - обращение волнового фронта [1,9,10]. Естественно, что любой из существующих методов имеет свои достоинства и недостатки, поэтому целесообразность использования того или иного метода будет определяться в каждом конкретном случае. Для повышения эффективности лазерной системы остается актуальным и поиск новых путей улучшения качества излучения, которые должны базироваться на достоверных - подтвержденных экспериментально и в процессе численного моделирования -данных о структуре фазовой аберрации АЭ ТЛ.

Целью данной работы является детальное исследование структуры фазовой аберрации активного элемента, сформированной в многоламповом осветителе при импульсной и импульс-но-периодической накачке, для поиска новых эффективных путей управления качеством излучения ТЛ.

Из этой цели следуют конкретные задачи исследования.

1. Практическая реализация методик бесконтактной оптической диагностики применительно к задаче исследования уровня и структуры неоднородностей АС и качества излучения высокоэнергетичного ТЛ.

2. Развитие и реализация подходов математического моделирования как для корректного восстановления количественной информации в процессе экспериментальной диагностики, так и для численного исследования детальной структуры термоиапряженного состояния и фазовой аберрации АЭ ТЛ.

3. Выявление особенностей термонапряженного состояния АЭ, связанных, в частности, с пространственной неоднородностью функции внутреннего тепловыделения, и анализ структуры фазовой аберраций в зависимости от режимных параметров и конструктивных особенностей лазера.

4. Изучение влияния фазовой аберрации АЭ на расходимость лазерного излучения; определение условий применимости некоторых показателей оптического качества и комплексных критериев эффективности твердотельной лазерной установки в целом.

5. Выработка практических рекомендаций по совершенствованию (модификации) элементов конструкции и оптимизации режимных параметров работы ТЛ для обеспечения приемлемого качества генерируемого излучения и достижения максимальной плотности энергии излучения в зоне использования.

Научная новизна представленной работы состоит в следующем.

1. Впервые в рамках комплексного подхода для цилиндрического стеклянного АЭ проведен анализ детальной структуры фазовой аберрации, сформированной в многоламповом осветителе при импульсной и импульсно-периодической оптической накачке, в зависимости от основных режимных параметров и конструктивных особенностей лазера; исследовано влияние выделенных аберрационных составляющих на уровень расходимости лазерного излучения и распределение плотности энергии в дальней зоне.

2. В процессе многоканального интерферометрического и полярископического зондирования получены и систематизированы с единых методических позиций экспериментальные данные об уровне и структуре оптических неоднородностей в крупноразмерном АЭ высоко-энергетичного ТЛ. Определены экспериментальные зависимости оптического качества активного элемента от основных режимных параметров функционирования лазера.

3. Разработан оригинальный пакет прикладных программ для численного моделирования термонапряженного состояния АЭ, анализа искажений ВФ зондирующего излучения и особенностей распространения излучения в дифракционную зону Фраунгофера в зависимости от теп-лофизических и термооптических свойств АС, конфигурации осветителя и режимов функцио-'нирования лазера.

4. Для достижения максимальной плотности энергии излучения в зоне использования предложены оригинальные пути управления оптическим качеством лазерного излучения, основанные на специальной модификации конструкции лазера и выборе оппшальных режимных параметров его функционирования.

5. В процессе экспериментальной диагностики обнаружен и проанализирован эффект де-поляризационной потери контраста интерференционного поля при зондировании радиально нагруженных цилиндрических матриц поляризованным излучением.

К защите представляются:

• Результаты экспериментального исследования оптического качества АЭ высокоэнерге-тичного ТЛ.

• Результаты численного моделирования термонапряженного состояния и структуры фазовой аберрации стеклянных АЭ.

• Результаты исследования особенностей распространения излучения в дальнюю зону и характера поведения критериев оптического качества АС, расходимости лазерного излучения и комплексных критериев эффективности лазера в целом.

• Особенности экспериментальной диагностики радиально нагруженных твердотельных матриц, связанные с деполяризационной потерей контраста интерференционного поля.

• Практические рекомендации по управлению фазовой аберрацией АЭ и качеством излучения TJI.

Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на:

- Научном семинаре победителей конкурса грантов среди студентов, аспирантов и молодых ученых Санкт-Петербурга (СПб, февраль 1998 г);

- Международной конференции "Nondestructive Testing and Computer Simulation in Science and Engineering" (СПб, 8-12 июня 1998);

- XII Международном симпозиуме по газовым и химическим лазерам и Конференции по высокоэнергегичным лазерам GCL/HPL (СПб, 31 августа - 5 сентября 1998 г);

- научном семинаре кафедры Лазерной техники Института лазерной техники и технологий БГТУ "ВОЕНМЕХ" им. Д.Ф.Устинова (16 декабря 1998 г);

- научном семинаре кафедры Плазмогазодинамических импульсных систем БГТУ "ВОЕНМЕХ" им. Д.Ф.Устинова (19 января 1999 г).

Основные результаты диссертации опубликованы (приняты к опубликованию) в 15 печатных работах (10 - в реферируемых журналах, 5 - в тезисах и сборниках трудов российских и международных научных конференций).

1. ТЕРМООПТИЧЕСКИЕ АБЕРРАЦИИ В ТЛ: СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧА ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1. Тепловыделение в АС ТЛ. Тепловое и напряженно-деформированное состояние АЭ.

Известно, что внутреннее тепловыделение в АС является характерной особенностью ТЛ [3,6,11]. Можно выделить два основных канала тепловыделения: первый связан с нагревом основы АС за счет ультрафиолетового излучения, присутствующего в спектре ЛН; второй канал тепловыделения обусловлен безызлучательными переходами ионов активатора при преобразовании поглощенного излучения накачки в более длинноволновое излучение лазера - стоксовы-ми потерями. Причем, если стоксовы потери являются принципиально неустранимым источником тепла в АС ТЛ, то нагрев АЭ ультрафиолетовым излучением может быть значительно уменьшен, а то и сведен на нет за счет использования селективных источников накачки (полупроводниковых лазеров или диодов) [12,13] или реализации принципов "светового котла" для лампового осветителя, а именно - преобразования УФ излучения в видимое, использования специальных светофильтров или селективно-отражающих интерференционных покрытий отражателей из прозрачного стекла [3,6,14,42]. В последнем случае УФ и ИК излучение ЛН выходит за пределы осветителя и не вносит вклада в тепловыделение в АС, хотя и является причиной снижения энергетической эффективности лазера.

Тепловыделение в АС оказывает двойное влияние на эффективность ТЛ. С одной стороны, являясь одним из каналов потерь энергии, оно приводит к снижению энергетической эффективности (КПД) лазера. А с другой - как первопричина термооптических неоднородностей в АС - обуславливает ухудшение оптического качества излучения и снижение эффективности его транспортировки в зону использования (см. п. 1.2 и 2.1).

Точные соотношения для расчета тепловыделения в АС ТЛ представлены, в частности, в работе [11]. В упрощенном виде их можно записать следующим образом [6]:

Р° = Р

л т * п

' И

V

Ч пУ

' V

р =р

•* т л п

Е = Р° • т + Р • т

^ш гт 1з т т ''и»

(1.1)

где и Рт - мощность тепловыделения в АЭ без и во время генерации, соответственно; Рп - поглощенная в АЭ мощность излучения накачки; ц - общий квантовый выход люминесценции; Т)м - квантовый выход возбуждения на метастабильный уровень; Ул и -средние частоты люминесценции и накачки; Уи - частота генерации; т3 и та - время задержки и длительность генерации; Ет - общая энергия тепловыделения за импульс. Величину Рп для цилиндра, в свою очередь, можно определить следующим образом [6]:

(1.2)

где Яо - радиус стержня; п - показатель преломления; © - геометрическая эффективность отражателя; - элементарный спектральный интервал, которому соответствует спектральный коэффициент погл