автореферат диссертации по электронике, 05.27.03, диссертация на тему:Спектрохронограф для исследования временных и энергетических параметров лазеров ультракороткой длительности в спектральном диапазоне 200-1000 нм и его применение для оптимизации лазерного излучения

На правах рукописи

ГУДИЛИН Антон Валентинович

СПЕКТРОХРОНОГРАФ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ВРЕМЕННЫХ И ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ЛАЗЕРОВ УЛЬТРАКОРОТКОЙ ДЛИТЕЛЬНОСТИ В СПЕКТРАЛЬНОМ ДИАПАЗОНЕ 200 -1000 нм И ЕГО ПРИМЕНЕНИЕ ДЛЯ ОПТИМИЗАЦИИ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ.

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук.

Специальность: 0527.03 — квантовая электроника.

Москва2006 г.

Работа выполнена в Го судфственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный институтрадиотехники, электроники и автоматики (технический университет)»

Научный руководитель: д.ф.-м.н., доцент, ведущий

н^чный сотрудник Мишина Елена Дмитриевна(МИРЭА).

Официальные оппоненты■• д.ф.-м.н., старший н^чный сотрудник,

начальник отдела «Лазерные технологии», Беляев Вадим Север ьянович (ФГУП ЦНИИ Маш).

д. т. и., профессор Герасимов Вячеслав Бориоович (МИРЭА).

Ведущая организация: Московский государственный технический

университет им. Н.Э. Баумана.

Авторефератразослан <.2Э»с^рх'ьрз. 2006 г.

Защитадиссертации состоится <¿1 » серл2006 г. в час, на заседании диссертационного совета Д212.131.02 в МИРЭА по адресу: 119454 Мэсква, пр. Вернадского 78, ауд. А-13.

Сдиссертацией можно ознакомиться в библиотеке МИРЭА

Ученый секретарьдиссертационного совета, к^н/ Валвднер В.О.

. Введение

Актуальность темы.

Одним из направлений развития лазерной техники является создание лазеров с предельно малой длительностью импульсов излучения, перестраиваемых в широком спектральном диапазоне, увеличение их мощности и энергии, а также улучшение таких характеристик, как спектральный состав, контраст по интенсивности, стабильность.

Для оперативного контроля за параметрами излучения на всех этапах разработки лазеров, а также для оценки технических возможностей систем, использующих лазеры, необходимы адекватные методики измерения параметров лазерного излучения. Для измерения параметров импульсного оптического излучения используются следующие методы: фотоэлектрический, корреляционный (нелинейный) и электронно-оптический метод.

Фотоэлектрический метод основан на использовании фотоэлектрического первичного измерительного преобразователя, осуществляющего преобразование оптического сигнала в электрический, и последующей записи формы электрического сигнала на экране электронно-лучевой трубки (ЭЛТ) или жидко-кристаллического (ЖК) дисплея. Широко применяемые для регистрации оптических быстропротекающих процессов фотоэлектрическим методом фотоэлектронные умножители (ФЭУ), фотодиоды (ФД), фототранзисторы (ФТ), фотоэлектронные коммутаторы (ФЭК), с использованием осциллографов в качестве регистраторов, обладают рядом достоинств: сравнительно недорогие, простые в эксплуатации, надежные и несложные в изготовлении. Основным недостатком данных приборов является их одноканальность и, как следствие, отсутствие пространственного разрешения, а также невысокое временное разрешение (не лучше Ю~10 с для ФЭУ, 3-Ю"10с для ФД, 10"шс для ФЭК). В принципе, можно увеличить число каналов с использованием большого количества фотопреобразовате-

лей и регистраторов, однако это приведет к сведению на нет всех достоинств данного метода. Фотоэлектрический метод позволяет измерять длительность и форму импульса оптического излучения с разрешением, задаваемым каждым из элементов составляющим прибор (фотопреобразователь, усилитель, передающий тракт, отклоняющая система осциллографа).

Временное разрешение приборов, регистрирующих лазерное излучение, может быть улучшено путем применения корреляционных (нелинейных) методов измерений. Простейший корреляционный метод основан на нелинейно-оптическом процессе генерации второй гармоники (ГВГ). Исследуемый световой пучок разделяется в пространстве делительной пластиной на два пучка, которые проходят разные пути до их совмещения в нелинейном кристалле. Используя пучки разной поляризации, или осуществляя нелинейное взаимодействие неколлинеарных волн, можно добиться выполнения условий, когда вторая гармоника высокой интенсивности генерируется в кристалле лишь при наложении двух импульсов. Степень перекрытия во времени этих двух импульсов в кристалле может изменяться механо-оптически путем изменения длины одного из путей (с помощью оптической линии задержки). Эффективность ГВГ будет максимальна при совпадении импульсов в пространстве и времени, и будет уменьшаться по мере увеличения задержки одного из них по отношению к другому.

Простейший корреляционный метод позволяет определить длительность импульса с высоким временным разрешением, определяемым только шагом линии задержки (1 мкм эквивалентен 3 фс). Однако этот метод не является прямым (длительность и форма импульса восстанавливается на основе корреляционной функции).

Применяются также усовершенствованные корреляционные методы, так называемые методы FROG (оптическое стробирование с частотным разрешением) и SPIDER (спектральная фазовая интерферометрия для ре-

конструкции электрического поля) (русскоязычных аббревиатур не существует). Основное отличие методов FROG и SPIDER от простого корреляционного состоит в том, что эти методы позволяют определять частотный спектр, по которому восстанавливается радиочастотный спектр импульса, соответствующий реальной форме огибающей импульса.

Электронно-оптические методы позволяют измерять длительности импульсов до 200 фс в спектральном диапазоне 0,1 - 1,8 мкм. Электронно-оптические методы обеспечивают: прямой метод регистрации длительности и формы импульса излучения, линейный динамический диапазон в широком интервале интенсивностей, регистрацию слабых сигналов (однофотон-ная регистрация), и как следствие, возможность регистрации однократных процессов, измерения контраста и мгновенных значений энергии, большой объем одновременно регистрируемой пространственной информации,

В настоящее время электронно-оптический метод используется для регистрации не только интегрального по спектру импульсного излучения, но и для регистрации динамики развития отдельных спектральных составляющих излучения. Тем не менее, несмотря на несомненную необходимость, не существует промышленных приборов, позволяющих осуществлять одновременно регистрацию временной, спектральной и пространственной компонент коротких импульсов. Такой прибор будем называть спектрохронографом. Поэтому в экспериментальном оборудовании, применяется вариант из комбинаций фотохронографов и спектральных приборов (монохроматоры, полихроматоры, спектрометры).

Такой вариант совмещения стандартных приборов обладает рядом недостатков. Стандартные спектральные приборы имеют временную дисперсию (разность временного хода спектральных составляющих) в спектральном диапазоне измерений от 200 до 1000 нм значительно превышающую десятки пикосекунд. Тем самым временное разрешение используемых вме-

сте с ними фотохронографов существенно уменьшается. Другим недостатком является необходимость проецирования разложенного по спектру изображения на ограниченную в размерах область фотокатода, либо необходимость сканирования спектров. Если в первом случае при проецировании появляются значительные потери в чувствительности, то во втором — отсутствует возможность регистрации всех спектральных составляющих.

В связи с этим совокупность работ по созданию измерительной техники, применяемой для исследования характеристик лазеров ультракороткой импульсной генерации, параметров излучения лазерно-возбужденного отклика исследуемой среды с использованием спектрохронографа, представляет несомненный интерес.

Цель работы. Целью диссертационной работы является создание спектрохронографа для исследования временных и энергетических параметров лазерного излучения ультракороткой длительности (10"12 с) в спектральном диапазоне 200-1000 нм и его применение для оптимизации лазерного излучения.

Основные задачи исследования.

1. Разработка фотохронографической части спектрохронографа с высоким временным разрешением (~ 1 пс) и большим динамическим диапазоном чувствительности 500), методов определения основных динамических характеристик фотохронографа (нестабильности запуска, нелинейности и диапазонов развертки).

2. Анализ технических, функциональных характеристик полихрома-тора и электронно-оптических преобразователей, а также аппаратных реализаций на их основе с целью выявления возможностей элементной базы, оценка ее возможностей для измерения спектрально-динамических параметров импульсного лазерного (и других источников) излучения и определение аппаратной структуры спектрохронографа.

3. Разработка неселективного в широком спектральном диапазоне полихроматора и методов исследования его характеристик.

4. Разработка алгоритма и написание рабочих программ для спектро-хронографа и высокоскоростного фотохронографа.

5. Исследование с помощью спектрохронографа характеристик пико-секундных лазеров с пассивной, активной и пассивно-активной синхронизацией мод и обратной электрооптической связью.

6. Оптимизация с использованием спектрохронографа юстировки схемы «чирпирования», режимов работы тераваттной лазерной установки с многокаскадным усилением.

7. Измерение с помощью спектрохронографа энергетического и спектрального контраста лазерного излучения при каскадном преобразовании гармоник.

Методы исследования. Настоящие исследования проведены на основе современных представлений и экспериментальных методик электронной техники и квантовой электроники, методов статистического анализа, цифрового моделирования.

Научная новизна.

1. Разработаны методики исследования временных характеристик высокоскоростной хронографической части спектрохронографа, а именно: нестабильности запуска (джиттера), скорости и нелинейности развертки.

2. Разработана методика исследования спектральных характеристик диспергирующей части (полихроматора) спектрохронографа.

3. Проведен расчет временной переходной характеристики полихроматора.

4. Разработаны методики оптимизации юстировки схемы «чирпирования», режимов работы импульсных твердотельных лазеров (пикосекунд-ных и наносекундных).

5. Разработаны программы для автоматизированной обработки и хранения рабочей информации.

6. Проведены измерения энергетического контраста и спектрального контраста для нескольких длин волн лазерного излучения.

7. Предложена конструкция и разработан прибор для исследования спектрально-динамических и пространственно-динамических параметров лазерного излучения.

Поскольку разрабатываемый прибор доведен до промышленной разработки, получил торговый знак, то в дальнейшем для обозначения прибора и его составных частей будут использоваться утвержденные названия: спектрохронограф «СХ-1А», фотохронограф «Взгляд 2А-2», полихроматор «Спектр-1А».

Практическая ценность работы.

1. С помощью хронографической части «Взгляд 2А-2» спектрохроно-графа «СХ-1А», аттестованной в качестве рабочего средства измерений временных и пространственных характеристик импульсного излучения, исследованы процессы генерации лазерной системы с электрооптической отрицательной обратной связью, лазера с кратковременной резонансной модуляцией потерь в пико- и наносекундных областях длительностей, пикосе-кундных лазеров, работающих в комбинированном активно-пассивном режиме синхронизации мод, разработаны рекомендации по оптимизации режимов работы лазеров.

2. Применение разработанных методов измерений временных и пространственных характеристик импульсного излучения, а также хронографической части «Взгляд 2А-2» спектрохронографа «СХ-1А», позволило получить рабочую информацию о динамике лазерной генерации пикосе-кундных лазеров, форме, амплитуде и тонкой структуре ультракоротких лазерных импульсов.

3. С использованием высокоскоростной хронографической части «Взгляд 2А-2» спектрохронографа «СХ-1 А», в экспериментах на тераваттной пикосекундной лазерной установке (тимп=1-10 пс, Х=1054 нм, Риш]=10 ТВт), проведенных в РФЯЦ-ВНИИТФ, а также во ФГУП ВНИИОФИ на пикосекундной лазерной установке (тимп =25-30 пс, >ч=10б4, Х,2=532 нм), произведены измерения контраста излучения с длительностью импульсов (1-30) -Ю-12 с, исследованы режимы оптимизации юстировки схемы «чирпирования», с помощью кадровой регистрации получены сведения о начальной стадии энергетических превращений высокоэнергетических материалов, позволяющих оценить модель физико-химических превращений этих материалов.

4. С помощью разработанного метода определена нестабильность (джиттер) срабатывания разверток спектрохронографа.

5. С использованием спектрохронографа проведены исследования по изучению предвзрывных явлений в азидах тяжелых металлов, результаты которых позволили уточнить феноменологическую модель взрывных процессов.

Личный вклад. Все результаты, изложенные в диссертационной работе, получены автором лично либо при его непосредственном участии. Апробация работы. Результаты работы докладывались на следующих Всероссийских и Международных конференциях:

1. Забабахинские научные чтения, Международная конференция, 812 сентября 2003 г., г. Снежинск.

2. Забабахинские научные чтения, Международная. конференция, 510 сентября 2005 г., г. Снежинск.

3. 2 Всероссийская конференция «Энергетические конденсированные системы», 9-13 ноября 2004 г., Черноголовка.

Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 143 страницах, в т.ч. 41 рисунок, 12 таблиц. Список литературы содержит 96 на-

именований. В приложении даны акты внедрения результатов диссертационной работы в трех организациях.Диссертация состоит из введения, четырех глав основного текста, заключения и приложения.

Основные положения. выносимые на защиту.

1. Спсктрохронографический метод определения энергетического контраста излучения лазера с каскадным преобразованием гармоник ультракороткой длительности с временным сканированием излучения в межимпульсном интервале.

2. Метод повышения точности определения контраста лазерного излучения с применением в электронно-оптическом тракте однокамерных усилителей с повышенным динамическим диапазоном.

3. Метод определения скорости и нелинейности развертки спектро-хронографа с использованием оптического дуплета и программной обработки, повышающей точность измерения длительности импульсов исследуемых лазеров ультракороткой длительности.

4. Метод определения нестабильности срабатывания (джиттер) развертки спектрохронографа и источника лазерного излучения, основанный на двухканальной регистрации излучения с помощью 2-х идентичных фотохронографических частей.

5. Оптимизированные параметры лазерной установки «Сокол-П» при настройке с помощью спектрохронографа: длительность импульса уменьшилась с 1,3 пс до 0,97 пс.

II. Содержание работы.

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, приведены цель и задачи исследований, указывается научная новизна и практическая значимость полученных в работе результатов, сформулированы основные научные положения, выносимые на защиту.

В первой главе проведен анализ современного состояния в области

измерения световых импульсов с пико-фемтосекундным временным разрешением. Рассмотрены основные методы регистрации: фотоэлектрический, корреляционный (нелинейный) и электронно-оптический метод.

Каждый из перечисленных методов измерения длительности импульсов оптического излучения в силу особенностей технических характеристик систем регистрации имеет свою специфическую область применения, в пределах которой достоинства метода реализуются наиболее полно. Частично эти области перекрываются, что дает возможность сравнивать результаты измерений, полученные различными методами.

Сопоставление различных методов измерения длительности импульсов оптического излучения представлено в таблице 1.

Таблица 1

Метод Предельное времен--ное разрешение, с. Реализованное времен --ное разрешение, с.

Корреляционный ю-15 310"15

Фотоэлектронный ю-11 10 й

Электронно-оптический ю-15 2-Ю"13

В таблице 2 приведены основные параметры фотохронографов, выпускаемых в России и за рубежом.

_Таблица 2

модель диапазон развертки временное разрешение производитель

С5680 200 пс+50 не 2 пс НатанШви Р^ошсв

ЫР-1 1нс -5-1 мкс 4 пс ИОФРАН

«Взгляд 2А-2» 400 пс+20 мкс 1 пс ООО «Лос-Р»

Агат-СФ 600 пс+ 400 не 2+3 пс ФГУП ВНИИОФИ

Спектрохронограф «СХ-1А» (фотохронограф «Взгляд-2А-2», поли-хроматор «Спектр») и спектрохронограф на базе фотохронографа фирмы

Optronis GmbH имеют следующие технические характеристики:

Таблица 3

Производитель Спектральный диапазон разрешения, нм Разрешающая способность, нм

ООО «Лос-Р» 200-1000 2- в подробном режиме

Optronis GmbH 600-850 20

Вторая глава содержит энергетический расчет спектрохронографа, в состав оптического тракта которого входит полихроматор «Спектр-1 А», вре-мяанализирующий электронно-оптический преобразователь ЭОП 1, усилители яркости ЭОП 2,3 , ПЗС-матрица. Целью энергетического расчета является определение диапазона освещенности на входе спектрохронографа.

В третьей главе обоснован выбор входной оптической части (полихроматор) и принцип построения фотохронографической части (фотохронограф) спектрохронографа.

В разделе 3.1 проведено математическое моделирование полихрома-тора, с целью обеспечения минимальных хроматических аберраций и комы, наибольшей светосилы и исключения селективных к спектральному составу излучения оптических элементов. Моделирование оптических схем в системе "гешах" проводилось для 3-х длин волн: 400, 600, 800 нм. В качестве источника излучения использовался точечный источник с бесконечно-малыми размерами. После задания конструктивных параметров системы проводилась оптимизация путем варьирования расстояний или радиусов кривизны оптических элементов для достижения наименьших значений аберраций. В качестве критерия оценки оптической системы брался размер и форма аберрационного пятна.

В результате проведенных расчетов ряда оптических схем была выбрана схема с астигматическим зеркальным корректором. Эта оптическая

система создает изображения с наилучшими значениями аберраций. При этом не происходит значительного увеличения полевых аберраций. Схема проста в юстировке и не содержит дорогостоящих оптических элементов.

В разделе 3.2 рассмотрен принцип построения фотохронографической части спектрохронографа. Приведены оптические и электрические схемы основных узлов фотохронографа (узлы импульсного и постоянного питания ЭОПов, разверток). Приведены методы определения технических характеристик фотохронографической части спектрохронографа. Рассмотрена структурная схема поверочной установки, методы определения линейности и временного диапазона разверток, нестабильности запуска (джиггера) развертки.

Определение основных временных параметров фотохронографа (временной диапазон, нелинейность развертки, джиттер) производится с помощью поверочной установки высшей точности УВТ 62-А-89. Функциональная схема поверочной установки изображена на рис. 1.

В состав ее входят следующие основные узлы: излучатель рабочего оптического импульса, система получения парных импульсов, устройство электронной задержки, фотохронограф, система обработки и индикации измерительной информации.

С помощью системы получения парных импульсов производится определение всех временных характеристик фотохронографа, так как в основу системы заложен следующий физический принцип: оптический импульс задерживается по отношению ко второму импульсу на определенную величину, если на его пути поместить оптическую среду с известными физическими параметрами, а именно, с измеренной толщиной и показателем преломления. Таким образом, воспроизведение единицы времени осуществляется методом задержки оптического сигнала на известную величину с помощью оптических мер, изготовленных из стекла К-8.

-2201)

Рис. 1. Функциональная схема поверочной установки УВТ 62-Л-89.

В системе получения парных импульсов технически это осуществляется введением на пути излучения калибровочных оптических мер. Одновременно с этим, чтобы иметь начальную точку отсчета, исходное излучение делится на два пучка, проходящих по своим каналам 1 и 2, а оптические меры поочередно вводятся либо в канал 1, либо в канал 2.

Величина задержки определяется расчетным путем по формуле:

/ • (ия -1) —^-1. (1)

где /- толщина оптической меры, мм; пл - показатель преломления стекла К-8 на длине волны излучения; С0 - скорость света в воздухе, равна 299792458 м/с.

Регистрация импульсов излучения осуществляется с помощью фотохронографа "Взгляд-2А-2", в состав которого входит специальная телекамера на основе матрицы с разрешением по координате «время» - 1160 пикселов и по координате «пространство» - 1040 пикселов.

Зарегистрировав положение двух задержанных относительно друг друга импульсов с известной величиной задержки и определив координаты центров тяжести этих импульсов N1 и Ы2 можно расчетным путем определить цену 1 пиксела по формуле:

Хпиксел = ■

(2)

Зная цену 1 пиксела, можно определить длительность импульсов в любом сечении.

Разделы 3.3-3.6 содержат техническую информацию по устройствам входящих в поверочную установку высшей точности УВТ 62-А-89.

Раздел 3.7.1 содержит информацию по определению скорости (времени нарастания) развертки. Весь диапазон развертки по времени занимает максимальное количество (1160) пикселей ПЗС-камеры. Этот диапазон

разбивается на поддиапазоны, которым присваиваются номера.

В процессе работы ПК рассчитывает и заносит в память массив данных разности двух задержанных относительно друг друга импульсов на известную величину т,ал. С помощью блока электронной задержки (БЭЗ) производится временное сканирование импульсов по всему диапазону. Среднее арифметическое значение разности между импульсами определяет номер поддиапазона. Значение скорости развертки в поддиапазоне определяется по формуле:

к,= —-ШО, (3)

Дг

где Дг - разность между импульсами (разность между центрами тяжести импульсов) в пикселах.

Данная процедура проводится во всех поддиапазонах развертки, после чего определяется среднее значение скорости всей развертки по формуле:

(4)

и

где п - количество поддиапазонов.

В разделе 3.7.2 описан метод определения нелинейности развертки, осуществляемый одновременно с определением значения скорости развертки.

Нелинейность развертки определяется по формуле:

Аг -Дг • V —V

-=52--100 = т——-"""" .....100 Г51

(Дгтах+ДГт!п)/2 (К„т1Х+7„т1о)/2 ' ^

где ^ гтах »^^тт - максимальное и минимальное значение разности двух задержанных относительно друг друга импульсов (в пикселах).

В разделе 3.7.3 описан метод определения временной нестабильности (джиттера) между электрическими импульсами, так и между электрическим импульсом и излучением лазера в диапазоне нескольких десятков пикосе-

кунд с разрешением до единиц пикосекунд. Был разработан и исследован метод измерения нестабильности развертки фотохронографа «Взгляд 2А-2», основанный на использовании двух приборов, в качестве которых использовались фотохронограф «Взгляд 2А-2» № 001 и макетный образец фотохронографа «Взгляд 2А-2». Блок-схема установки приведенная на рис. 1 немного изменена, т.е. на пути излучения вместо системы получения парных импульсов помещается светоделительная пластина, которая формирует два параллельных канала измерения. Сигнал с выходов фотохронографов каналов 1 и 2 поступает через соответствующие интерфейсы в ПК и после обработки заносится в соответствующий массив памяти.

В процессе работы установки ПК рассчитывает и заносит в массив памяти соответствующего канала номер пиксела, соответствующий центру тяжести импульса. В третий массив памяти заносится для каждого импульса разность номеров пикселов. После накопления данных по большому числу импульсов, например, 1000, для данных каждого из массивов памяти можно определить среднеквадратичную дисперсию CTi, 02, сгз. Эти три характеристики

связаны с интересующими нас ст1р>ст2р,0л. следующими тремя уравнениями:

2 2 2 = ст,р + стл;

^ 2 — ~ 2 , _ 2.

а2 - о2р + ол ,

<3з — +СГ2р •

где Ст]р - среднеквадратичная дисперсия развертки в фотохронографе «Взгляд 2А-2» первого канала, Сгр - среднеквадратичная дисперсия развертки в фотохронографе «Взгляд 2А-2» второго канала, азл . среднеквадратичная дисперсия нестабильности запуска лазера.

Формулы для расчета <Tip2, а2р2, сгя2 по результатам накопления: стл2 = СГ]2 + <у22 - О}2 / 2; aip2 = en2 + а32 - а22 / 2;

02Р2 = Ог + ст32 -а? 12.

Разделы 3.8 и 3.9 содержат результаты определения составляющих погрешностей передачи единицы времени установки высшей точности и погрешности воспроизведения единицы времени спектрохронографом.

Четвертая глава содержит экспериментальные результаты по исследованию параметров импульсного лазерного излучения и практическую реализацию измерительной установки на основе спектрохронографа с ориентацией на решение задачи по исследованию спектрально-временных , и пространственно-временных характеристик.

В разделе 4.1 представлен электронно-оптический метод определения контраста лазерного излучения. Ряд задач по исследованию взаимодействия лазерного импульсного излучения с веществом требует высококонтрастного излучения. Определяют два вида контраста: контраст по мощности КР и контраст по энергии КЕ. Контрастом лазерного излучения по энергии (мощности) называется отношение энергии (мощности) полезного сигнала (когерентного лазерного импульса) к энергии (мощности) фона, обусловленного различными процессами внутри активной среды и резонатора, такими как люминесценция, генерация сателлитов, образование паразитных световых импульсов при прохождении через электрооптические элементы. Эксперименты по определению контраста проводились на лазерной установке «Луч-3» с помощью фотохронографа «Взгляд-2А-2». Лазер генерировал импульсы длительностью от 25 до 30 пикосекунд с частотой следования 2 Гц на 2-х длинах волн: >-, = 1064 нм иХ2 = 532 нм. В качестве активного тела применялся АИГ: Ш3+ длиной 70 мм и диаметром 4 мм. Выделение одиночных пикосекундных импульсов производилось с использованием продольного электрооптического эффекта на кристалле ДКДР. Вторая гармоника генерировалась внерезонаторно в термостатированном кристалле ДКДР.

а)КЕ = 0,32;КР = 0,38-107

I

б) КЕ = 1,57; Кр = 1,87 -107

Рис. 2. Электронно-оптический метод измерения контраста (верхние пане ли) - изображение импульса на экране электронно-оптического преобразо вателя, регистрируемое ПЗС матрицей; (нижние панели) - профиль импульсов; (а), (б)- последовательные серии экспериментов.

На рис. 2 приведены фотографии, фотохронограммы и таблицы с результатами измерений лазерных импульсов в полустатическом режиме измерений для разных вариантов работы лазерной установки.Изменениё контраста излучения осуществлялось следующим образом: изменением длины оптического пути излучения в отрицательной обратной связи (ООС) лазера, введением сине-зеленых светофильтров (СЗС) после генератора второй гармоники (ТВ Г) для выделения 2-ой гармоники и подавления проходящей через ГВГ 1-ой гармоники и инфракрасных светофильтров (ИКС) для подавления видимого излучения перед входом излучения в ГВГ. Кроме того, для повышения уровня преобразования на кристалле ДКДР применялась дополнительная фокусировка излучения с помощью короткофокусной линзы с Г = 5 см.

Полученные фотохронограммы и результаты их автоматизированной обработки позволяют определять с высокой точностью контраст излучения. В экспериментах контраст излучения по энергии варьировался от 0,32 до; 1,56, контраст по мощности от 0,38-107 до 1,87 -107. Измерение контраста лазерного излучения электронно-оптическим методом представлено в сравнении с корреляционным и фотоэлектрическим методами. Показано, что наиболее достоверным методом энергетических измерений является электронно-оптический метод.

В разделе 4.2 представлен метод определения спектрального контраста лазерного излучения. Ряд задач по спектральному анализу, лазерной локации требует применения лазеров с каскадным преобразованием гармоник. Возможности спектрохронографа позволили определить энергетические соотношения, измерить длительность импульсов и зарегистрировать форму импульсов излучения от лазера с каскадным преобразованием гармоник типа ИЛТИ-431. Лазер обеспечивал генерацию на трех длинах волн 1079 нм, 538 нм и 266 нм в режиме модулированной добротности резонатора. Использование спектрохронографа позволяет одновременно с измерениями производить оптимальную юстировку преобразователей излучения по углу

синхронизма. Такая юстировка может быть произведена оперативно быстро, если требуется для проведения лазерных экспериментов иметь перестройку коэффициентов преобразования гармоник. На рис. 3 представлены амплитудные соотношения и форма генерированных импульсов излучения на длине волны 538 нм и 266 нм для двух режимов работы лазера (при коэффициенте преобразования Хг в <20 %).

В разделе 4.3 приведены результаты испытания с целью определения временной стойкости фототропного затвора. Испытания проводились в течение 1 года с ежедневной эксплуатацией в течение 8 часов. Эксперименты показали, что длительность импульсов сохраняется в пределах погрешности измерения при выбранных режимах эксплуатации.

В разделе 4.4 представлены результаты, полученные на лазерной установке «Сокол-П» (задающий генератор и регенеративный усилитель на фосфатном стекле с неодимом). После проведённых настроек задающего генератора и выбора режима работы регенеративного усилителя в стартовом комплексе увеличилась стабильность лазерной установки по следующим параметрам: длительность и энергия импульса, количество пропусков. Получены значения длительности сжатого в компрессоре (на дифракционной решетке) импульса 0,97 пс, короче, чем в задающем генераторе.

Раздел 4.5 содержит информацию о реализации измерительной установки на основе спектрохронографа: экспериментальный комплекс для исследования спектрально-кинетических и пространственно-динамических характеристик взрывного свечения энергетических материалов при инициировании лазерными пучками нано- и пикосекундной длительности. Спектральный интервал, регистрируемый при взрыве одиночного образца, составляет величину 450 нм, спектральное разрешение до 2 нм, пространственное разрешение до 50 мкм, предельное временное разрешение определяется применяемым источником возбуждения и достигает 30 пс.

а) 1-ый режим: энергетическое соотношение Х4- 23,75%; 1,25%.

б) 2-ой режим: энергетическое соотношение Х2- 19,6%; м - 0,4%.

Рис. 3. Амплитудные соотношения и форма импульсов при 2-х режимах преобразования гармоник (коэффициент преобразования Х2 в ¡Ц<20 %).

III. Заключение.

При выполнении диссертационной работы общим итогом является создание спектрохронографа «СХ-1 А» с высоким временным разрешением (~1 пс) в широком спектральном диапазоне с большим амплитудным динамическим диапазоном (-500), проведение с его помощью исследований по улучшению излучательных свойств пикосекундных лазеров, а также различных быстропротекающих физико-химических превращений сопровождающихся излучением. Были получены следующие результаты:

1. Рассмотрены и проанализированы методы измерения временных и энергетических параметров лазеров с пикосекундной длительностью импульсного излучения, режимы работы лазеров.

2. Разработана и исследована оптическая и электронная схемы спектрохронографа с повышенным спектрально-временным разрешением и большим динамическим диапазоном.

3. Разработаны и исследованы методы измерений следующих технических характеристик фотохронографической части спектрохронографа: нелинейность и скорость разверток с последующей компьютерной корректировкой, нестабильность запуска развертки.

4. Проведено определение составляющих погрешности спектрохронографа. Показано, что размер единицы длительности импульса оптического излучения воспроизводится с СКО а = 0,5% и НСП 0 = 3,7 %.

5. Проведены исследования по измерению контраста излучения пи-косекундного лазера с пассивной синхронизацией мод и обратной отрицательной оптической связью.

6. Проведен сравнительный анализ существующих методов определения контраста лазерного излучения. Сделан вывод о целесообразности использования спектрохронографа в качестве средств измерения контраста и измерения мгновенной мощности лазерного излучения пико- и фемтосе-

кундной длительности.

7. Проведены эксперименты по определению долговременной стабильности фототропиых затворов в пикосекундных лазерах с пассивной синхронизацией мод. В результате установлено, что целесообразно использование генерации цугов пикосекундных импульсов в резонаторе с малой добротностью с фототропным затвором и последующим усилением без использования фототропного затвора.

8. Проведены исследования по измерению длительности «чирпа» в задающем генераторе лазерной установки пикосекундных импульсов «Со-кол-П» во ФГУП РФЯЦ-ВНИИТФ. В результате достигнута оптимальная настройка оптических элементов «чирпирования» для последующих усиления и рекомпрессии.

9. Проведены эксперименты по : определению спектрально-временных параметров процессов физико-химического разложения высокоэнергетических материалов во ФГУП РФЯЦ-ВНИИТФ и КемГУ.

Результаты, полученные с использованием спектрохронографа «СХ-1» подтверждаются актами внедрения во ФГУП РФЯЦ-ВНИИТФ, Волгоградском и Кемеровском государственных университетах. S.CnucoK публикаций по теме диссертации.

1. A.B. Гудилин, С.А. Серов, Д.С. Ситников. «Выбор и обоснование оптической схемы полихроматора на дифракционной решетке для спектрохронографа «СХ-1А», «Измерительная техника», № 9, 2005, с.52.

2. A.B. Гудилин. «Методика энергетического расчета опто-электронного тракта спектрохронографа «СХ-1А», «Приборостроение и средства автоматизации», № 9, 2005, с. 63-65,

3. A.B. Гудилин, В.Н. Гудилин. Оптико-электронные измерения. Сб. статей под ред. B.C. Иванова. «Методы и средства для измерения временных, спектральных, спектрально-динамических и пространственно-

динамических параметров быстропротекающих оптических процессов». — М.: Университетская книга, 2005, с. 577-595.

4. A.B. Гудилин, В.Н. Гудилин, A.A. Жук, В.Л. Ривкинд, Л.С. Телегин. «Измерение контраста пикосекундного излучения твердотельного лазера с пассивной синхронизацией мод с помощью спектрохронографа». Приборы и системы. Управление. Контроль. № 3, 2006 г., с. 56-58.

5. A.B. Гудилин. «Исследование контраста излучения твердотельного пикосекундного лазера с пассивной синхронизацией мод «Луч-3» с помощью спектрохронографа «СХ-1». // Intermatic-2005/ Материалы международной НТК «Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения», 25-28.10.2005 г., Москва. - М.: МИРЭА, 2006, часть 1, с. 242246.

6. Б.П. Адуев, A.B. Гудилин, А.Г. Кречетов, С.А. Серов, В.Н. Швай-ко. «Экспериментальный комплекс для исследования спектрально-кинетических и пространственно-динамических характеристик взрывного разложения энергетических материалов». В кн.: доклады 9 международной конференции "Физико-химические процессы в неорганических материалах", Кемерово, том 2, 2004, с. 13-16.

7. Б.П. Адуев, A.B. Гудилин, В.Н. Швайко. «Экспериментальный комплекс для исследования спектрально-кинетических и пространственно-динамических характеристик взрывного разложения энергетических материалов», ЖТФ, № 6, том 75, 2005, с. 59.

Подписано в печать 27.09.2006. Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Усл. печ. л. 1,4. Усл. кр.-отт. 5,58. Уч.-изд. л. 1,5. Тираж 100 экз. Заказ 569

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный институт радиотехники, электроники и автоматики (технический университет)" 119454, Москва, пр. Вернадского, 78

Введение

Глава 1. Специальные методы регистрации быстропротекающих процессов с пико-фемтосекундным временным разрешением

1.1. Существующие методы высокоскоростной регистрации импульсных оптических процессов ; ■.

1.1.1. Корреляционные (нелинейные) оптические методы

1.1.2. Фотоэлектрические (осциллографические) методы

1.1.3. Электронно-оптические методы

1.2. Сравнительный анализ методов

Глава 2. Методика энергетического расчета опто-электронного тракта спектрохронографа «СХ-1 А»

2.1. Выбор оптической схемы спектрохронографа

2.2. Энергетический расчет оптико-электронного тракта спектрохронографа

Глава 3. Выбор и математическое моделирование оптической схемы полихроматора для спектрохронографа «СХ-1 А»

3.1. Оптическая схема полихроматора

3.2. Фогохронограф ;; \

3.2.1. Оптическая схема фотохронографа

3.2.2. Функциональные узлы фотохронографа "

3.3. Излучатель рабочего оптического импульса

3.3.1. Устройство лазерного излучателя

3.3.2. Описание работы лазера

3.3.3. Система управления излучением •

3.4. Система получения парных импульсов и методы калибровки 77 3.4.1 . Устройство и принцип действия 79 3.4.2. Оптическая схема системы получения парных импульсов

3.5. Блок электронной задержки ; ■ ■ Г'ф;' , , „ . . .'. .1. . II/ ■ >' •) >i." : i v'Xp< 'ik'i I >Js|iU

3.6. Система регистрации 81 3.6.1. Функциональные возможности программы

3.7. Методика определения скорости, нелинейности развертки и нестабильности запуска (джиттер) фотохронографа

3.7.1. Методика определения скорости развертки

3.7.2. Методика определения нелинейности развертки

3.7.3. Методика определения нестабильности запуска (джиттер)

3.8. Метрологические характеристики спектрохронографа

3.9. Оценка результирующей погрешности

Глава 4. Экспериментальные исследования

4.1. Исследование контраста пикосекундного излучения твердотельного лазера с пассивной синхронизацией мод

Луч-3» с помощью спектрохронографа

4.2. Исследование спектрального контраста

4.3. Исследование свойств фототропного затвора '

4.4. Экспериментальные результаты полученные на лазерной установке «Сокол-П»

4.5. Измерительный комплекс для исследования спектрально-кинетических и пространственнодинамических характеристик • ^ :; м "

4.6. Экспериментальные результаты исследований спектрально-кинетических и пространственно-динамических характеристик 124 Заключение i ir : ! г : 129 Литература 131 Приложения:

1. Акт внедрения результатов диссертации в КемГУ

2. Акт внедрения результатов диссертации во ФГУП РФЯЦ-ВНИИТФ 140 3; Акт внедрения результатов диссертации в ВолГУ 1.

Одним из направлений развития лазерной техники является создание лазеров с предельно малой длительностью импульсов излучения, перестраиваемых в широком спектральном диапазоне, увеличение их мощности и энергии, а также улучшение таких характеристик, как спектральный состав, контраст по интенсивности, стабильность.

В настоящее время такие типы лазеров широко применяются в различных областях науки и техники: при исследовании сверхбыстрых процессов методом возбуждения-зондирования, в спектроскопии с временным разрешением, нелинейной оптике, для контроля элементов микроэлектроники, при создании и прецизионной обработке новых материалов. . ,

Для оперативного контроля за параметрами излучения на всех этапах разработки лазеров, а также для оценки технических возможностей систем, использующих лазеры, необходимы адекватные методики измерения параметров лазерного излучения.

Параметры лазерныХ'источников можно разделить на две группы [1] - внешние и внутренние. К внешним параметрам относятся мощность и энергия излучения, угловаярасходимость и линейный размер пучка, длина волны излучения, когерентность, поляризация, длительность импульса. К внутренним параметрам относятся спектр мод резонатора, усиление, шумы, возможность модуляции. Возможна и другая классификация параметров и характеристик лазеров [2, 3]; Необходимо отметить, что все существующие системы классификации отличаются только различной группировкой параметров, а сами параметры остаются фактически теми же, что и в [1]. И это'>не'случайно, поскольку Именно эти параметры наиболее полно характеризуют основные свойства лазера. i /I ' '.'"' . М. -<!. : 1 .'■• MV-.V, . ' л

•.,, I !Ч ! \ ■ '

I. * 4 > I I i.-i-i. I <,

В измерительных комплексах, создаваемых для исследования характеристик импульсных лазеров, как правило, производят измерение следующих параметров [4,5]:

1. полной энергии излучения;

2. формы импульса излучения или зависимости мощности от времени;

3. распределения энергии (мощности) излучения в ближней зоне (на выходном зеркале лазера) интегрально за время действия импульса и с разверткой во времени;

4. распределения энергии (мощности) излучения в дальней зоне (измерение угловой- расходимости излучения) интегрально за время действия импульса и с разверткой во времени;

5. спектра излучения лазера за все время действия импульса и с разверткой во времени.

Разработка методов измерения перечисленных характеристик лазерного излучения особенно ''актуальна при исследовании процессов, происходящих в нано-, пико- и фемтосекундном диапазонах длительностей.

Для измерения параметров импульсного оптического излучения используются следующие- методы: 'фотоэлектрический, корреляционный (нелинейный) и электронно-оптический метод.

Фотоэлектрический метод * ^ основан на использовании фотоэлектрического первичного измерительного преобразователя, осуществляющего преобразование оптического сигнала в электрический, и последующей' записи"1 формы ^электрического сигнала на экране электронно-лучевой трубки (ЭЛТ) или жидко-кристаллического (ЖК) дисплея. Широко применяемые для регистрации оптических быстро'протекающих процессов фотоэлектрическим методом фотоэлектронные умножители (ФЭУ), фотодиоды (ФД), фототранзисторы

ФТ), фотоэлектронные коммутаторы (ФЭК) [6-9], с использованием осциллографов в качестве регистраторов, обладают рядом достоинств: сравнительно недорогие, простые в эксплуатации, надежные и несложные в изготовлении. Основным недостатком данных приборов является их одноканальность и, как следствие, отсутствие пространственного разрешения, а также невысокое .временное разрешение (не лучше Ю"10 с для ФЭУ [10], 3-Ю'10 с для ФД [11], Ю-10 с для ФЭК [12]). В принципе, можно увеличить число каналов с использованием большого количества фотопреобразователей и регистраторов, однако это приведет к сведении на нет всех достоинств^ данного'; метода. Фотоэлектрический метод позволяет измерять длительность5 и форму импульса оптического излучения с разрешением задаваемым каждым из элементов составляющим прибор (фотопреобразователь, усилитель, передающий тракт, отклоняющая система осциллографа).

Временное ■ разрешение приборов, регистрирующих лазерное излучение, может быть улучшено : путем применения корреляционных (нелинейных) методов измерений. Простейший корреляционный метод основан на нелинейно-оптическом процессе генерации второй гармоники (ГВГ). Исследуемый световой я пучок разделяется в пространстве делительной пластиной на два пучка, которые проходят разные пути до их совмещения в нелинейном кристалле. Используя пучки разной поляризации, или осуществляя нелинейное взаимодействие неколлинеарных волн, можно добиться выполнения условий, когда вторая гармоника высокой интенсивности' генерируется в кристалле лишь при наложении двух импульсов. Степень' перекрытия во времени этих двух импульсов в кристалле может изменяться механо-оптически путем изменения длины одного из путей (с помощью оптической линии задержки). Эффективность "ГВГ будет максимальна при совпадении импульсов в пространстве и времени, и будет уменьшаться по мере увеличения задержки одного из них по отношению к другому.

Простейший корреляционный метод позволяет определить длительность импульса с высоким временным разрешением, определяемым только шагом линии задержки (1 мкм эквивалентно 3 фс). Однако этот метод не является прямым (длительность и форма импульса восстанавливается на основе корреляционной функции).

Применяются также усовершенствованные корреляционные методы, так называемые методы FROG (оптическое стробирование с частотным разрешением) и SPIDER (спектральная фазовая интерферометрия для реконструкции электрического поля) (русскоязычных аббревиатур не существует). Основное отличие методов FROG и SPIDER от простого корреляционного является то, что ^ эти методы позволяют определять частотный спектр, по которому восстанавливается радиочастотный спектр импульса соответствующий реальной форме огибающей импульса.

Электронно-оптический метод основан на использовании электронно-оптических преобразователей (ЭОП) с разверткой электронных изображений быстроменяющимися ^электрическими полями. Этот метод является прямым методом многоканальной диагностики в исследовании быстропротекающих процессов. Первые работы, посвященные использованию метода электронно-оптической регистрации быстропротекающих процессов, относятся к периоду с середины 40-х до середины 50-х годов минувшего столетия, хотя первый электронно-оптический преобразователь (ЭОП), являющийся основным элементом фотохронографа, был изобретен Холстом и де Буром в 1934 г. [13]. В этот период были созданы времяанализирующие однокамерные ЭОПы для фотографирования быстропротекающих' процессоб с экспозицией кадра 10"6 -НО"8 с. Далее Куртни-Пратт осуществил щелевую развертку изображения, что! позволило увеличить временное разрешение до 10*10 с i -I « . • 1.»■ \ -с ■ <ч I.';-.- ,

14]. В 1953 г. в приборе ПИМ-3 впервые была осуществлена непрерывная развертка изображения с разрешением Ю'10 с [15]. Е.К. Завойский и С.Д. Фанченко в 1956 г. показали, что ЭОП открывает широкие возможности непосредственного наблюдения пикосекундных и фемтосекундных процессов [16]. Как отмечает Д. Брэдли в коллективной монографии [17]: выводы,, сделанные Е.К. Завойским и С.Д. Фанченко, явились стартовой позицией для бурного развития и применения во всех передовых странах электронно-оптического приборостроения.

В период с середины 60-х до середины 70-х годов появились лазеры, способные генерировать излучение длительностью 10'12-И0'13 е., и электронно-оптическая хронография оказалась единственным методом прямого наблюдения процессов пико- и субпикосекундной длительности.

Среди диагностических методов и средств, используемых в экспериментах с быстропротекающими; процессами, высокоскоростная электронно-оптическая фотография выделяется своим рекордным быстродействием (теоретический предел временного разрешения в видимом диапазоне порядка 10"15 е.), большим объемом одновременно регистрируемой пространственной информации (порядка единиц мегапикселей), высокой чувствительностью (возможна регистрация в режиме счета фотоэлектронов, эмитируемых входным фотокатодом), широким спектральным'диапазоном чувствительности (от мягкого рентгеновского до ИК излучения),''возможностью быстрого (доли секунды) ввода массива данных* < зарегистрированного на экране ЭОПа изображения в компьютер для последующей обработки, анализа и визуализации на мониторе.

В настоящее время электронно-оптической метод используется для регистрации не только интегрального по спектру импульсного излучения, но' и для регистрации динамики развития отдельных спектральных составляющих излучения. Тем не менее, несмотря на несомненную необходимость, не существует промышленных приборов, позволяющих осуществлять одновременно регистрацию временной, спектральный и пространственный компонент коротких импульсов. Такой прибор будем называть спектрохронографом. Поэтому в экспериментальном оборудовании, применяется вариант из комбинаций фотохронографов и спектральных приборов (монохроматрры, полихроматоры, спектрометры).

Такой вариант совмещения стандартных приборов обладает рядом недостатков. Стандартные спектральные приборы имеют временную дисперсию (разность временного хода спектральных составляющих) в спектральном диапазоне измерений от 200 до 1000 нм значительно превышающую десятюьпикосекунд. Тем самым временное разрешение используемых вместе с ними фотохронографов существенно уменьшается. Другим недостатком является " необходимость проецирования разложенного по спектру изображения на ограниченную в размерах область фотокатода, либо необходимость сканирования спектров. Если в первом случае при проецировании появляются значительные потери в чувствительности, то во втором - отсутствует возможность регистрации всех спектральных составляющих.

В связи с этим ■ совокупность работ по созданию измерительной техники, применяемой Hi для ^исследования характеристик лазеров ультракороткой импульсной генерации, параметров излучения лазерно-возбужденного отклика исследуемой * среды с использованием спектрохронографа, представляет несомненный интерес.

Цель работы. Целью диссертационной работы является создание спектрохронографа для исследования временных и энергетических

12 параметров лазерного излучения ультракороткой длительности (10* с) в спектральном диапазоне 200 -1000 нм и его применение для оптимизации лазерного излучения.: п сл i .■■•".•> !К ' >;i;: II!! ; r.i

Основные задачи исследования.

1. Разработка фотохронографической части спектрохронографа с высоким временным разрешением (~ 1 пс) и большим динамическим диапазоном чувствительности (~ 500), методов определения основных динамических характеристик фотохронографа (нестабильности запуска, нелинейности и диапазонов развертки).

2. Анализ технических, функциональных характеристик полихроматора и электронно-оптических преобразователей, а также аппаратных реализаций на их основе с целью выявления возможностей элементной базы, оценка ее возможностей для измерения спектрально-динамических параметров импульсного лазерного (и других источников) излучения и определение аппаратной структуры спектрохронографа.

3. Разработка неселективного в широком спектральном диапазоне полихроматора и методов исследования его характеристик.

4. Разработка алгоритма и написание рабочих программ для спектрохронографа и высокоскоростного фотохронографа.

5. Исследование с помощью спектрохронографа характеристик пикосекундных лазеров с пассивной, активной и пассивно-активной■ синхронизацией мод и обратной электрооптической связью. ,

6. Оптимизация с использованием спектрохронографа юстировки схемы «чирпирования», режимов работы тераватной лазерной установки с многокаскадным усилением.

7. Измерение с помощью спектрохронографа энергетического и спектрального ■ контраста>'лазерного излучения при каскадном преобразования гармоник. !> 11 v

Научная новизна.

1. Разработаны методики исследования временных характеристик высокоскоростной хронографической части спектрохронографа, а именно: нестабильности запуска (джиттера), скорости и нелинейности развертки.

2. Разработана методика исследования спектральных характеристик диспергирующей части (полихроматора) спектрохронографа.

3. Проведен расчет временной переходной характеристики полихроматора.

4. Разработаны методики оптимизации юстировки схемы «чирпирования», режимов работы импульсных твердотельных лазеров (пикосекундных и наносекундных).

5. Разработаны программы для автоматизированной обработки и хранения рабочей информации.

6. Проведены измерения энергетического контраста и спектрального контраста для нескольких длин волн лазерного, излучения.

7. Предложена конструкция и разработан прибор для исследования спектрально-динамических и пространственно-динамических параметров лазерного излучения. ••<"!:

Поскольку разрабатываемый прибор доведен до промышленной разработки, получил торговый знак, то в дальнейшем для обозначения приборами его составных частей будут использоваться утвержденные названия: спектрохронограф «СХ-1А», фотохронограф «Взгляд 2А-2», полихроматор «Спектр-1 А». . 1 , i

Практическая ценность работы.

1. С помощью хронографической части «Взгляд 2А-2» спектрохронографа «СХ-1А», аттестованной в качестве рабочего средства измерений временных и пространственных.характеристик импульсного излучения, исследованы процессы генерации лазерной системы с электрооптической i . \ u >1 ■ •.,. . • отрицательной обратной связью, лазера с кратковременной резонансной модуляцией потерь в пико- и наносекундных областях длительностей, пикосекундных лазеров, работающих в комбинированном активно-пассивном режиме синхронизации мод, разработаны рекомендации по оптимизации режимов работы лазеров.

2. Применение разработанных методов измерений временных и пространственных характеристик импульсного излучения, а также хронографической части «Взгляд 2А-2» спектрохронографа «СХ-1А», позволило получить рабочую информацию о динамике лазерной генерации пикосекундных лазеров, форме, амплитуде и тонкой структуре ультракоротких лазерных импульсов.

3. С использованием высокоскоростной хронографической части «Взгляд 2А-2» спектрохронографа «СХ-1А», в экспериментах на тераватной пикосекундной лазерной установке (Тимп=1-Ю пс, А,=1054 нм, Римп=10 ТВт) проведенных в РФЯЦ-ВНИИТФ, а также во ФГУП ВНИИОФИ на пикосекундной лазерной установке (тимп =25-30 пс, ?ц=1064, А,2=532 нм), произведены измерения контраста излучения с длительностью импульсов

19

1-30) -10" с, исследованы режимы оптимизации юстировки схемы «чирпирования», с помощью кадровой регистрации получены сведения о начальной стадии энергетических превращений высокоэнергетических материалов, позволяющих.оценить -, модель физико-химических превращений этих материалов. \ ■

4. С помощью разработанного, метода определена нестабильность (джиттер) срабатывания разверток спектрохронографа.

5. С использованием спектрохронографа проведены исследования по изучению предвзрывных! явлений в азидах тяжелых металлов, результаты которых позволили уточнить, феноменологическую модель взрывных процессов. , .

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Спектрохронографический метод определения энергетического контраста излучения лазера с каскадным преобразованием гармоник ультракороткой длительности с временным сканированием излучения в межимпульсном интервале.

2. Метод повышения . точнодти „.определения контраста лазерного излучения с применением в электронно-оптическом тракте однокамерных усилителей с повышенным динамическим диапазоном.

3. Метод определения скорости и нелинейности развертки спектрохронографа с использованием оптического дуплета и программной обработки, повышающей-'точность • измерения длительности импульсов исследуемых лазеров ультракороткой длительности.

4. Метод определения нестабильности срабатывания (джиттер) развертки спектрохронографа и источника лазерного излучения, основанный на двухканальной регистрации излучения с помощью 2-х идентичных , ' * фотохронографических частей. ч )

5. Оптимизированные параметры лазерной, установки «Сокол-П» при настройке с помощью спектрохронографа: длительность импульса уменьшилась с 1,3 пс до 0,97 пс.

Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 142 страницах,* в т.ч. 41 рисунок, 12 таблиц. v »••'-•

Список литературы содержит 96 наименований. В приложении даны акты внедрения результатов диссертационной работы в трех организациях.

Диссертация состоит из введения, четырех глав основного текста, заключения и приложения. «

Вывод:

На основании приведенных в четвертой главе экспериментальных результатов показано, что наиболее корректным методом измерения энергетических параметров лазерного излучения является спектрохронографический (электронно-оптический) метод. По сравнению с традиционными комплексными методиками, электронно-оптический метод измерения позволяет объединить все измерительные блоки в одном устройстве (спектрохронографе). что в значительной степени снижает временные затраты на проведение измерений.

К наиболее значимым преимуществам метода можно отнести использование механизма регистрации энергетических параметров рабочего импульса и фона одновременно, а также отсутствие в электронно-оптическом тракте спектрохронографа микроканальной пластины, использование которой значительно уменьшает динамический диапазон. Данные преимущества позволили обеспечить временное разрешение 1 пс и большой динамический диапазон (500).

На основании приведенных в четвертой главе экспериментальных результатов, полученных с помощью спектрохронографа на лазерной установке «Сокол-П», показано, что после проведённых настроек задающего генератора и выбора режима работы регенеративного усилителя в стартовом комплексе увеличилась стабильность лазерной установки по следующим параметрам: длительность и энергия импульса, количество пропусков. Получены значения длительности сжатого в компрессоре (на дифракционной решетке) импульса 0,97 пс, что на 0,3 пс короче, чем в задающем генераторе.

Заключение.

При выполнении диссертационной работы обшим итогом является решение важной научно-технической задачи по созданию спектрохронографа «СХ-1 А» с высоким временным разрешением (~1 пс) в широком спектральном диапазоне с большим амплитудным динамическим диапазоном (~500), проведение с его помощью исследований по улучшению излучательных свойств пикосекундных лазеров, а также различных быстропротекающих физико-химических превращений сопровождающихся излучением.

Были получены следующие результаты:

1. Рассмотрены и проанализированы методы измерения временных и энергетических параметров лазеров с пикосекундной длительностью импульса, а также режимы работы лазеоов. w А ж. *

2. Разработана и исследована оптическая и электронная схемы спектрохронографа со спектрально-временным разрешением (2 нм) и большим динамическим диапазоном (500).

3. Разработаны и исследованы методы измерений следующих технических характеристик фотохронографической части спектрохронографа:

- нелинейность и скорость разверток с последующей компьютерной корректировкой;

- нестабильность запуска (джиттер) развертки.

4. Проведено определение составляющих погрешности спектрохронографа Показано, что размер единицы длительности импульса оптического излучения воспроизводится с СКО о=0,5% и НСП 0=3,7 %.

5. Проведены исследования по измерению контраста излучения пикосекундного лазера с пассивной синхронизацией мод и обратной отрицательной оптической связью.

6. Проведен сравнительный анализ существующих методов определения контраста лазерного излучения. Сделан вывод о целесообразности использования спектрохронографа в качестве средства измерения контраста и измерения мгновенной мощности лазерного излучения пико- и фемгосекундной длительности.

7. Проведены эксперименты по определению долговременной стабильности фототропных затворов в пикосекундных лазерах с пассивной синхронизацией мод. В результате установлено, что для предотвращения разрушения фототропного затвора целесообразно использование генерации цугов пикосекундных импульсов в резонаторе с малой добротностью с фототропным затвором и последующим усилением.

8. Проведены исследования по измерению длительности «чирпа» в задающем генераторе лазерной установки пикосекундных импульсов «Сокол-П» во ФГУП РФЯЦ-ВНИИТФ. В результате достигнута оптимальная настройка оптических элементов «чирпирования» для последующих усиления и рекомпрессии.

9. Проведены эксперименты по определению спектрально-временных параметров процессов физико-химического разложения высокоэнергетических материалов во ФГУП РФЯЦ-ВНИИТФ и КемГУ.

Результаты, полученные с использованием спектрохронографа «СХ-1» подтверждаются актами внедрения во ФГУП РФЯЦ-ВНИИТФ. Волгоградском и Кемеровском государственных университетах. По теме диссертации было опубликовано 7 статей в ведущих отечественных журналах. Полученные в диссертации оезультаты позволили оазшботать и

V л. л. * А * освоить выпуск спектпохооногоаАов типа «СХ-1». л л * л.

Данный спектрохронограф можно рекомендовать прежде всего для исследований и настройки лазеров с импульсами ультракороткой длительности, лазерной спектроскопии, нелинейно-оптических исследований. Кроме того, спектрохронограф можно применять для исследований однократных быстропротекающих процессов.

1. Хирд Г. Измерение лазерных параметров, М, Мир, 1970,539.

2. Валитов Р.А. и др. Измерение характеристик оптических квантовых генераторов. М., Изд. стандартов, 1969,184.

3. ГОСТ 15,093-69. Генераторы квантовые оптические. Параметры. Термины и определения. Изд. стандартов, 1969.

4. Отчет ВНИИОФИ №412-к. Разработка аппаратуры с покадровыми развертками для регистрации и измерения однократных быстропротекающих процессов. 1970.

5. Отчет ВНИИОФИ №682-к. Исследование и разработка методов и аппаратуры для регистрации формы импульса и изображения однократного процесса. 1972.

6. Н.А. Соболева. А.Е. Меламид. Фотоэлектронные приборы. Учеб. пособие для студентов. М., «Высшая школа», 1974.

7. Гурлев Д.С. Справочник по электронным приборам. К.: Техника, 1979.

8. В.Н. Дулин, В.П. Демин. Электронные приборы. М: Энергоатомгодат, 1989.

9. Кайдалов С.А. Фоточувствительные приборы и их примените: справочник. М.: Радио и связь, 1995.

10. Фотоэлементы измерительные. Каталог ВНИИОФИ. 1990.

11. Фотодиоды. Каталог фирмы Hamamatsu. 2004.

12. Photonic devices for scientific instruments. Каталог фирмы Hamamatsu. 2005.

13. G. Hoist, J.H. de Boer, M.C. Teves, Physica 1, 297, 1934.

14. J.S. Courtney-Pratt. A new method for the photographic study of fast transient phenomena// Research 2,287,1949.

15. E.K. Завойский, С.Д. Фанченко. Об изучении сверхбыстрых световых процессов// ДАН СССР. Т. 100,661,1955.

16. Е.К. Завойский, С.Д. Фанченко. Физические основы электронно-оптической хронографии // ДАН СССР. Т. 108,2,218,1956.

17. D.J. Bradlev. Generation and measurement of picosecond pulse // J. Phvs.1. A A +

18. Chem. Vol.82,2L 2259,1978.

19. R.Trebino and D. J. Kane, Spectrally-resolved, DC-balanced homodyne detection for ultrafast, quantum field state measurement Rev. Sci. Instrum., Vol. 68, №9,3277, 1997.

20. K. W. DeLong, R.Trebino, J. Hunter, W. E. White, Measuring ultrashort laser pulses. J. Opt. Soc. Am. B11,2206,1994.

21. D. N. Fittinghoff, J. L. Bowie, J. N. Sweetser, R. T. Jennings, M. A. Krembugel. K. W. DeLong, R.Trebino. and I. A. Walmsley. Frequency-resolved optical gating using surface third-harmonic generation. Opt. Leet. 21,884,1996.

22. Doner C. de Beauvoir B. le Blanc C. and Salin F. Sinele-shot real-timewcharacterization of chimed nulse amplification svstems usine spectral phase1. A A A * V A Ainterferometry for direct electric-field reconstruction, Opt Lett. 24, 1644-6, 1999.

23. Shyman T.M, Anderson M.E, and Walmsley I.A, Real-time SPIDER: ultrashort pulse characterization at 20 Hz, opt. Express 5,134-43, 1999.

24. Gunter Steinmeyr. A review of ultrafast optics and optoelectronics. J. Opt. A: Pure Appl. Opt. 5 (2003), R1-R15.

25. Многоканальный осшллографический гомеритель «Лотос». Оптико-физические средства измерения параметров процессов, каталог. I т., 1982.

26. Рябинин Ю.А. Стробоскопическое осииллогпаАирование. М.: Сов.1. A AAA1. Радио, 1989.

27. Осциллографы, Tektronix, каталог фирмы, 2005.

28. Осциллографы, Philips, каталог фирмы, 2005.

29. Эккарт Ф. Электронно-оптические преобразователи изображения и усилители рентгеновского изображения. Пер. с нем. М. -Л.: Госэнергоиздат, 1961.

30. Высокогорец М.В., Лозовой В.И. и др. Устройство считывания изобпажений лля пикосекундной электоонно-оптической измепителыюй1. А С А Л.системы на основе ПЗС-матриц. Труды ФИАН. Т. 155. 1985.

31. Пресс Ф.П. Формирование видеосигнала на приборах с зарядовой связью. М: Радио и связь, 1981.

32. Мясников А.Ф., Симонов В.П. Передающие телевизионные трубки в системах регистрации изображений электронно-оптических камер. «Электоонная техника», сео.4 «Электровакуумные и газопазлядныел ж « » # л. лприборы». Вып. 3 (118), ЦНИИ «Электроника».

33. Пресс Ф.П. Фоточувствительные приборы с зарядовой связью. М.: Радио и связь. 1991.

34. Каскадные электоонно-оптические плеоблазователи и их гтименение.• ' 1 л. л. л.

35. Под ред. М.А. Бутслова, М.: Мир, 1965, с. 32-52.

36. Завойский Е.К., Фанченко С.Д. Пико-фемтосекундная электронно-оптическая хронография. ДАН СССР. 1976. Т. 226. №5. С. 1062-1065.

37. V.P. Degtyareva, V.S. Belolipetski, G.I. Bryuknevich, M.Y. Schelev. 25th International Congress on High-Speed Photography and Fotonics, SPIE, Vol. 4948,2003, p. 281-289.

38. Электронно-оптические преобразователи. Каталог ГУП ВНИИОФИ, 1990.

39. Б.П. Адуев, А.В. Гудилин, ВН. Швайко. «Экспериментальный комплекс для исследования спектрально-кинетических и пространственно-динамических характеристик взрывного разложения энергетических материалов», ЖТФ, № 6, том 75,2005, стр. 59.

40. Варнатц Ю., Маас У., Диббл Р., Горение. Физические и химические аспекты, моделирование, эксперименты / Под ред. П.А. Власова. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2003. - 352 с.

41. Ильюшин М.А., Целинский И.В., Судариков A.M. и др. Разработка компонентов высокоэнергетических композиций: Монография / Под ред. Целинского И.В. СПб.: ЛГУ им. А.С. Пушкина-СПбГТИ(ТУ), 2006. 105 с.

42. ФотохооногоасЬы. Hamamatsu Photonics K.K. каталог сЬшшы. 2003., 1 * / / М Л. "

43. Фотохронографы, Optronis GmbH., каталог фирмы. 2005.

44. Фотохронографы, ИОФАН РАН, каталог, 2000.

45. Фотохронографы, ООО «JIoc-Р», каталог фирмы,, 2006.

46. Электронно-оптическая камера «Агат СФ1» Оптико-физические средства измерения параметров процессов, каталог, 2 т., 1982.

47. А.В. Гудилин. «Методика энергетического расчета опто-электронного тракта спектрохронографа «СХ-1А», «Приборостроение и средства автоматизации», № 9,2005.

48. Якушенков Ю.Г. Теория и расчет оптико-электронных приборов: Учебник для студентов приборостроительных специальностей вузов. М.: Машиностроение, 1989. - 360 с.

49. Запрягаева Л.А., Свешникова И.С. Расчет и проектированние оптических систем: Учебник для вузов М.: Логос, 2000.

50. Берковский А.Г., Гаванин В.А., Зайдель И.Н. Вакуумные фотоэлектронные приборы. М., «Энергия», 1976.

51. Люминофоры. Каталог. Внешторгиздат, 1985.

52. А.В. Гудилин, С.А. Серов, Д.С. Ситников. «Выбор и обоснование оптической схемы полихроматора на дифракционной решетке для спектрохронографа «СХ-1 А», «Измерительная техника», № 9,2005, с.52.

53. Zemax. Software for optical design. Zemax Development Corporation, 2004.

54. Лебедева B.B. Техника оптической спектроскопии. Под ред. Ф.А. Королева- М.: Изд-во МГУ, 1977.

55. Акустические кристаллы. Справочник под. ред. М.П. Шаскольской.-М.: Изд-во «Наука», 1982.

56. Тарасов К.И. Спектральные приборы. Л.: Машиностроение,. 1977.

57. Демтредер В. Лазерная спетроскопия. Основные принципы и техника эксперимента.- пер. с англ.-М.: Наука, 1985.

58. Спектрографы, ORIEL Instruments, каталог фирмы, 2003.

59. Дьяконов В.П. Лавинные транзисторы и их применение в импульсных устройствах. М, Сов. Радио, 1973.

60. Зельдович Б.Я., Кузнецова Т.Т., Генерация сверхкоротких импульсов света с помощью лазеров, УФН, Т. 106, Вып. 1, с 47-84,1972.

61. А.Н. Валыпин, В.М Гордиенко, С.В. Краюшкин, В.Т. Платоненко, В.К. Попов. Генерация и усиление сверхкоротких импульсов света с помощью эксимерных лазеров. Квантовая электроника, Т. 13,10,1992,1986.

62. К.П. Комаров, А.С. Кучьянов, В.Д. Угожаев. Стационарные сверхкороткие импульсы при пассивной синхронизации мод. Квантовая электроника, Т. 13,4,802, 1986.

63. А.С. Кучьянов. Ультоакоооткие импульсы в твердотельных лазеоах.1. Ж Ж «» А ' ' Л.

64. Письма в ЖТФ, Т. 8, вып. 20,1237,1982.

65. А. И. Андреева, Ф. Ш. Ганиханов, В. Н. Гудилин, В. Б. Морозов, В.Г. Тункин. YAG: Nd- лазер в режиме пассивной синхронизации мод с отрицательной обратной связью на основе сильного фотоумножителя. Квантовая электроника, 16, № 8.1604,1989.

66. Г. М. Зверев, Д.Г. Калинин, И.Н. Кузнецов. Электрооптический затвор натангалате лития, Квантовая электроника, 7, №7,1601,1980.

67. Дж. Тейлор. Ведение в теорию ошибок. М.: Мир, 1985.68. «Прямые измерения с многократными наблюдениями. Методы обработки результатов». ГОСТ 8.207-76

68. Сверхкороткие световые импульсы. Под ред. С. Шапиро,- ML: Мир, 1981.

69. V. Sirukaitis, R. Grigonis. Single-shot Tird-Order Correlator for Femtosecond Terrawatt Ti: saDohire Lasers. Anolied Phvsics В 57.112.1997.л. л. •> J

70. К. Osvay, I. N. Ross. High dynamic range measurement of temporal shape and contrast of ultrashort UV pulses. Applied Physics В 69,19-23,1999.

71. А.И. Андреева, В.Н. Гудилин, В.Г. Тункин. «YAG: Nd-лазер в режиме пассивной синхронизации мод с отрицательной обратной связью на основе сильного фотоумножителя». Квантовая электроника, 16,1604 (1989);

72. Е.Н. Анучин, Г.И. Каданер, Э.В. Кувалдин, Исследование элементов пикосекундного фотометра Импульсная фотометрия: Сб. статей,1979 г., с. 120-122;

73. Б.В. Бывшее, Поверочная установка для средств измерения энергии и максимальной мощности импульсов лазерного излучения. Импульсная фотометрия: Сб. статей, 1980 г., с. 46-48;

74. Регистрация импульсного излучения тонкопленочными пироэлектрическими приемниками. Л.М. Дорожкин и др. в кн.: Импульсная фотометрия, Л.,1979, вып. 6, с. 64-67;

75. Пироэлектрический приемник для измерения энергии импульсного излучения. С.А. Магницкий, Г.М. Плешков, В.Г. Тункин, Б.А. Чаянов. В кн.: Импульсная фотометрия, Л., 1981, вып. 7, с. 58-59;

76. Измерение малых энергий нано- и пикосекундных импульсов излучения. В кн.: Импульсная фотометрия. Л., 1981, вып. 7, с. 82-88;

77. Динамические измерения. Основы метрологического обеспечения. JL: Энергоатомиздат, 1984.

78. Нанокомпозиты: исследования, производство и применение/ Под ред. А.А. Берлина, И.Г. Ассовского. -М.: Торус Пресс. 2004. стр. 98-101.

79. В.И. Безродный. А.А. Ишенко. Л.В. Карабанов, Ю.Л. Сломинский. Высокостабильные полимерные затворы для пассивной синхронизации мод неодимовых лазеров. Квантовая электроника, Т.22, №8, С. 849-852,1995.

80. В.И. Безродный, А.А. Ищенко. Высокоэнергетическая многопичковая генерация неодимового лазера при модуляции добротности пассивным полимерным затвором. Квантовая электроника, 1998, Т.25, №10. С.871-874.

81. A.A. Andreev, А.А. Мак. V.E. Yashin "Generation and superstrong laser fields employment", Quantum Electronics, 24, #2 (1997).

82. V.B. Kryuchenkov, A.I. Saukov, AA Ugodenko, V.V. Volenko, etal. Multipass Nd: glass Laser Facility SOKOL-2. International Conference on Lasers'90, San Diego.

83. D.A. Dmitrov, L.A. Fomichev, A.G. Kakshin, I.A. Kapustin, V.Ju. Kuzminyh, E.A. Loboda, Ju.O. Romanov, V.N. Sanzhin, V.N. Sukhanov, A.S.

84. Tischenko, A.A. Ugodenko. B.I. Zagvozdin. "10 TW Picosecond Nd: glass Laser Facility "Sokol-P". Ootics Communications 130. П996Н85-501.1. A. /

85. R. Szipocs et al., Chirped multilayer coatings for broad-band dispersion control in femtosecond lasers, Opt. Lett. 19,201,1994.

86. Высокоэнеогетическая электооника твердого тела./ под ред. Л.И. Вайсбурда. Н.: «Наука», 1982. с.227

87. Алукер Э.Д., Гаврилов В.В., Дейч Р.Г., Чернов С.А. Быстропротекшощие радиационно-стимулированные процессы в щелочно-галоидных кристаллах. Рига: Зинатне, 1987, с. 183

88. Захаров Ю.А., Алукер Э.Д., Адуев Б.П., Белокуров Г.М., Кречетов А.Г. Предвзрывные явления в азидах тяжелых металлов. М.: ЦЭИ «Химмаш», 2002, с.116

89. В.Н. Швайко. Управление фотохронографом «Взгляд-2А» Сервер (Sight-2A Server) / А.с. 2004610837 от 05.04.04 РФ, РОСПАТЕНТ.

90. В.Н. Швайко. Управление фотохронографом «Взгляд-2А» Клиент (Sight-2A Client) / А.с. 2004610835 от 05.04.04 РФ, РОСПАТЕНТ.

91. В.Н. Швайко. Ушавление (Ьотохооногоа(Ьом «Взгляд-2А» Обоаботка1. Л л. Л * Л. л

92. Sight-2A Processing) / А.с. 2004610836 от 05.04.04 РФ, РОСПАТЕНТ.

93. Настоящим актом подтверждается:

94. Во ФГУП РФЯЦ-ВНИИТФ использованы следующие результаты диссертации Гудилина А.В.

95. Внедрен хронограф «Взгляд 2А-2» для изучения временных характеристик пикосекундного лазерного излучения установки «Сокол П».

96. Внедрен хронограф «Взгляд 2А» для определения временных и пространственных характеристик высокоскоростных процессов преобразования энергии в кадровом и хронографическом режиме.

97. Внедренные результаты диссертации получены во ФГУП ВНИИОФИ в ходе выполнения следующих НИОКР:- «Разработка стрик-камеры «Взгляд 2А-2» и изготовление опытного образца», х/д № 84/2003;- «Поставка стрик-камер «Взгляд 2А» и «Взгляд 2А-2».

98. Указанные результаты диссертации использованы в отделах №51, 53.

99. Экономический эффект не рассчитывался.

100. Настоящим актом подтверждается:

101. В КемГУ внедрены следующие результаты диссертации Гудилина А.В.

102. Методы определения временных и спектральных характеристик спектрохронографа «СХ-1А».

103. Методы регистрации динамики развития спектров излучения при исследовании процессов взрывного разложения энергетических материалов.

104. В результате внедрения получено следующее:

105. Разработанные в диссертации методы вошли составной частью в методику исследования процессов взрывного разложения энергетических материалов.

106. Использованы разработанные в диссертации методы рабочей калибровки перед проведением экспериментов.

107. Экономический эффект не рассчитывался.