авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:     | 1 || 3 | 4 |   ...   | 5 |

Формирование и наведение лазерных пучков с помощью внутрирезонаторных пространственно - временных модуляторов света

-- [ Страница 2 ] --

4. Быстродействующие внутрирезонаторные пространственные модуляторы света на основе электрооптической керамики ЦТСЛ с двухсторонними заглубленными в материал подложки электродами, обладающие высокой лучевой прочностью (до 11 Дж/см2 для длительности импульса 30 нс), временем электрооптического отклика ~1 мкс, с частотой переключения несколько кГц (в пакетном режиме работы до 100 кГц), прозрачные в спектральном диапазоне 0.5…6 мкм.

5. Оптическая схема резонатора с внутрирезонаторным двухкоординатным сканированием и результаты исследования характеристик его излучения, показавшие возможность адресации излучения в любую заданную точку поля зрения системы в течение 3 - 4 мкс и возможность формирования пакета импульсов в разных направлениях с частотой следования импульсов в пакете до 100 кГц. Оптическая схема сопряженного лазерного резонатора с лучевой разгрузкой и увеличенным съемом запасенной в активной среде энергии. Оптические схемы резонаторов с двухкоординатным управлением диаграммы направленности и установкой пластин модуляторов у одного зеркала резонатора.

6. Реализация резонаторов лазера на парах меди и DF лазера, показавшая, что при использовании ПВМС на основе ЦТСЛ керамики возможно внутрирезонаторное управление диаграммой направленности пучка для лазеров с длинами волн излучения в диапазоне от 0.5 до 4.1 мкм.

Практическая значимость

Использование результатов исследования методов формирования мощных лазерных пучков позволило разработать лазерные системы с рекордными по совокупности параметров (мощность и угловая расходимость пучка) характеристиками. Это шестиканальная лазерная установка “Прогресс”, для проведения исследований в области ЛТС с суммарной мощностью пучков до 1,2 ТВт ( 2·10-10 с), лазерная система с ОВФ с энергией пучка около 400 Дж ( 25 нс), больше половины которой сосредоточено в угловом растворе, равном дифракционному углу для пучка с диаметром 100 мм, лазерная система с энергией до 800 Дж для проведения исследований по ВРМБ компрессии импульса для задач ЛТС. Результаты исследований позволяют рассчитывать как усилительные каскады лазеров, так и энергетические характеристики многокаскадных усилителей.

Результаты исследований ОВФ сканирующего в пространстве пучка могут быть использованы как для оценки скорости затухания гиперзвука в новых нелинейных средах, так и для формирования дальнопольных распределений пучка вытянутых на несколько дифракционных углов в заданном направлении.

Экспериментально показана возможность точного и быстрого наведения мощного лазерного пучка с помощью внутрирезонаторного ПВМС в заданную точку пространства в поле зрения лазерной системы. Это позволит решить задачу передачи энергии с помощью лазерного пучка на большие расстояния, на летательные аппараты на реактивной и электрореактивной тяге, обеспечить дальнюю космическую связь и локацию удаленных объектов.

Использование результатов работы позволит создать лазерные локаторы, обладающие качественно новыми характеристиками, такими, как возможность одновременного сопровождения нескольких объектов, находящихся в поле зрения, устранения влияния колебаний носителя на точность адресации излучения, включения пикселя модулятора, положение которого соответствует координате упреждения. ПВМС локатора может быть оптически и через компьютер сопряжен с ПВМС высокоэнергетического лазера для оказания воздействия на объекты с помощью возникающей плазмы.

Внутрирезонаторное управление лучом позволило создать уникальный лазерный маркер изделий промышленности, который может дистанционно маркировать движущиеся на конвейере изделия, причем на каждом следующем изделии надпись может быть другой.

Задающий генератор мощной лазерной системы с внутрирезонаторным управлением диаграммы направленности излучения позволяет точно направлять лазерный пучок в заданную точку пространства и удерживать его на объекте. Причем во всех этих случаях могут отсутствовать подвижные оптико-механические элементы для наведения пучка.

Апробация работы и публикации

Результат работы докладывались на отечественных и международных конференциях: “Оптика лазеров” (Ленинград, 1979 г, 1981 г, 1983 г, 1989 г, 1993 г); Всесоюзной конференции "Теоретическая и прикладная оптика" (Ленинград, 1986 г); Всесоюзном совещании по нерезонансному взаимодействию оптического излучения с веществом (Ленинград 1981, Вильнюс 1984 г); International Conference TFC'91 (Riga, 1991); Seventh European Meeting on Ferroelectricity (Dijon, France, 1991); CLEO/Europe'98 (Glasgow, Great Britain, September 13 -18); XXVI European Conf. on Laser Interaction with Matter (“ECLIM 2000”, Prague, 2000); 3 International Conference “Advanced optical materials and devices” ( Riga, Latvia, 2002); Совещании “Кремний – 2004” (Иркутск, 5 - 9 июля 2004); VI Всероссийской конференции “Проблемы создания лазерных систем” (г. Радужный 1-3 октября 2008 г). По материалам работы проведены семинары в ПИЯФ РАН (г. Гатчина) и НИТИ (г. Сосновый Бор). По результатам диссертации опубликовано 69 работ, в том числе 35 статей и 7 авторских свидетельств на изобретения СССР и патентов РФ. Диссертационная работа проводилась в рамках тематик НИР, выполняемых в НИИКИ ОЭП по заказам МОП СССР, Российского агентства по атомной энергии, МО РФ, Министерства промышленности и энергетики РФ.

Реализованы следующие научные результаты, полученные в диссертационной работе:

- результаты исследований в области формирования мощных лазерных пучков и минимизации их угловой расходимости использованы при создании в НИИКИ ОЭП шестиканальной лазерной установки “Прогресс” для решения задач ЛТС, при создании лазерного адаптивного стенда “ЛАС”, проекте №108 МНТЦ;

- техническая документация на ДУ, результаты исследования ДУ и оптимизации схем мощных лазеров с оконечными ДУ внедрены в РФЯЦ-ВНИИТФ;

- схема лазера с сопряженным резонатором и цилиндрическим объективом защищена патентом РФ и использована при создании в НИИКИ ОЭП лазерного маркера движущихся изделий;

- схемотехника формирования расходимости излучения близкой к дифракционной в ЗГ с сопряженным резонатором и разработанные ПВМС с системой управления внедрены в ИЛФИ РФЯЦ ВНИИЭФ.

Личный вклад автора

Участие автора в получении научных результатов заключалось как в постановке большинства экспериментов, так и в личном участии в экспериментах, обработке и интерпретации их результатов. Автор разработал большинство оптических схем лазеров и лазерных систем, предложил методику исследования точности наведения. Лично провел эксперименты по исследованию возможности использования ЦТСЛ внутри резонатора. Инициировал разработку технологии изготовления ПВМС на основе ЦТСЛ в НИИКИ ОЭП. Проанализировал возможности установки пластин ПВМС у одного из зеркала резонатора. Показал важность согласования размера пикселя ПВМС с диаметром внутрирезонаторной диафрагмы для получения угловой расходимости пучка близкой к дифракционной. Большинство публикаций статей, патентов и докладов на конференциях подготовлены автором работы.

На разных этапах исследований в работе принимали творческое участие сотрудники института: Чернов В.Н., Дмитриев Д.И., Жилин А.Н., Решетников В.И., Сиразетдинов В.С., Григорьев К.В., Котылев В.Н., Либер В.И., Ловчий И.Л.; сотрудники НИИ ФТТ Латвийского Университета: Э. Клотиньш и Ю. Котлерис; сотрудник НИИЭФА Фомин В.М. Автор благодарен сотрудникам ИЛФ Маку А.А. и Сомсу Л.Н. за помощь в постановке отдельных исследований, Н.Н. Розанову и его коллегам за создание программ расчета ДУ и коэффициентов передачи пространственных частот возмущений в канале. Автор благодарен директору НИИ ФТТ А. Штернбергу за предоставление образцов ЦТСЛ различного состава. Автор благодарен А.Д. Старикову и Н.И. Павлову за постоянный интерес к работе и ее поддержку.

Объем и структура диссертации

Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и приложений, содержит 260 страниц машинописного текста, включает 129 рисунков, 8 таблиц, 191 ссылку на литературу. Во введении рассматривается актуальность, цель, и задачи диссертационной работы, научная новизна результатов, приводятся положения, вынесенные на защиту, практическая ценность полученных результатов, апробация работы и публикации, личный вклад автора. Кратко описывается содержание работы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В главе 1 рассмотрены результаты исследований в области формирования высокоэнергетических лазерных пучков. Рассмотрены методы уменьшения расходимости лазерных пучков, особенности схемного построения лазеров с внутрирезонаторным управлением диаграммы направленности. В начале главы приведен краткий обзор своих работ и работ других авторов, посвященных разработке и исследованию методов повышения мощности лазерных пучков и разработке ДУ.

В разделе 1.1 рассмотрены причины ограничения энергии и ухудшения расходимости световых пучков в лазерных системах на неодимовом стекле.

Отмечается, что аподизация пучка эффективно подавляет дифракцию Френеля, но в реальных лазерных усилителях при числах Френеля N=15…30 не позволяет получить пучки с высоким коэффициентом заполнения , от которого напрямую зависит энергия пучка. Экспериментально продемонстрирована возможность почти двукратного (до 50 Дж при длительности импульса 10-9 с) увеличения энергии лазерного пучка при установке после предварительного усилителя аподизирующей диафрагмы с высоким коэффициентом заполнения пучка ( 0.8) и ретрансляции плоскости её действительного изображения в наиболее нагруженные каскады (45630 мм) усилителя с помощью оптического ретранслятора [1]. Применение такой схемотехники приводит к тому, что при приближении к плоскости изображения диафрагмы дифракционные возмущения в пучке уменьшаются по амплитуде и полностью исчезают в плоскости изображения, что минимизирует отношение пиковой плотности энергии в пучке к средней плотности.

Использование вакуумных пространственных фильтров (ВПФ) [2] позволяет согласовывать апертуры усилительных каскадов, транслировать в канале плоскость изображения входной апертуры, в сильной степени предотвращает самовозбуждение усилителя, подавляет мелкомасштабные шумы, возникающие из-за наличия мелких дефектов в каскадах усиления. Показано, что использование ВПФ, который устраняет высокочастотный шум в пучке с энергией менее 5% от полной энергии, приводит к увеличению энергия пучка при последующем усилении почти в 3 раза, а МС возникает на граничной частоте пропускания ВПФ (рисунок 1).

Предложено вместо аподизирующей диафрагмы использовать жесткую диафрагму при установке за ней пространственного фильтра с широкой полосой пропускания [3,4]. Показано, что использование этих методов при коротком импульсе подавляет МС излучения и вызванную МС деполяризацию пучка [5].

Дальнейшее увеличение энергии пучка возможно только при использовании широкоапертурных выходных каскадов, из которых наиболее предпочтительны ДУ [6-8], обладающие высокой равномерностью усиления в поперечном сечении и малой величиной термооптических искажений [12].

Рисунок 1. Зависимость пропускания Т

ВПФ от энергии Е входного пучка и зависимость Е(Е0) для = 0,75 мрад на выходе последующего усилителя от входной энергии Е0 в отсутствие (1) и при наличии (2) диафрагмы в фильтре. Сверху отложены значения интеграла распада пучка В для усилительного канала до ВПФ и для каскада 60 мм после фильтра. Граничная частота пропускания ВПФ Kгр 37 см-1. Длительность лазерного импульса 110-9 с.

Приведены результаты исследования многокаскадной лазерной системы с периодической пространственной фильтрацией и выходным ДУ [17], схема которой показана на рисунке 2. Впервые фильтровался пучок с энергией около 70 Дж. При длительности импульса 0,8 нс получен пучок диаметром 70 мм с энергией до 235 Дж (290 ГВт), 80% которой заключено в угловом растворе 0,75 мрад.

 хема установки. Апертуры-2

Рисунок 2 Схема установки. Апертуры усилительных каскадов УК1-УК6 равны 20, 30, 45, 45, 75 и 90 мм соответственно

На рисунке 3 приведены фотографии пучков в ближнем поле и дальней зоне на выходе лазера.

 Ближнепольная фотография пучка-3

Рисунок 3. Ближнепольная фотография пучка 70 мм с энергией Е0 = 80 Дж (мощностью 100 ГВт), его распределение и распределение пучка ЗГ в дальней зоне прошедшего через всю систему (около 70 оптических поверхностей) при ненакачанном усилителе. В ближнем поле пучка заметен нелинейный рост пространственных выбросов интенсивности.

Приводятся результаты исследования обнаруженной сильной деполяризации пучка при возникновении МС. На рисунке 4 показан рост деполяризации пучка (2) в пассивном активном элементе, который установлен за ВПФ. Предложено использовать увеличение степени деполяризации пучка в качестве метода контроля возникновения МС.

Далее в разделе 1 приведены экспериментальные результаты исследований характеристик и результаты численного моделирования разработанного ДУ 15 см [10]. ДУ 15 см при наличии поглощающего покрытия [11] на дисках из фосфатного неодимового стекла для предотвращения паразитной генерации обеспечивает экспериментально измеренный коэффициент усиления k = 0.05 см -1. Показано, что выбранная система поперечной накачки ДУ 15 см является наиболее эффективной. Рассматриваются результаты численного трехмерного моделирования энергетических характеристик ДУ с помощью программы расчета, основанной на методе Монте-Карло и детально описанной в [9]. Программа показала хорошее согласие расчетных и экспериментальных данных и позволила провести ряд численных экспериментов, прямое выполнение которых было бы дорогим и сложным. В частности, было учтено влияние полосы поглощения неодима 0,35 мкм в фосфатном стекле ГЛС21 на эффективность ДУ, обычно отсекаемой фильтром ультрафиолетовой составляющей спектра ламп или маскируемой церием, вводимым в стекло. Показано, что при номинальных плотностях накачки k может возрасти почти в 1.5 раза, а при малых накачках выигрыш не превышает 20%. Внутренняя полость ДУ должна быть заполнена сухим азотом, чтобы исключить искажения волнового фронта пучка в воздухе, вызванных поглощением в нем коротковолновой составляющей спектра излучения ламп накачки [12].

Экспериментально показано, что значительный резерв увеличения запасенной в ДУ энергии заключен в использовании для его накачки импульсов излучения с нарастающей во времени интенсивностью и крутым срезом [13]. В случае использования такого импульса можно либо увеличить абсолютную величину k на 15 % (стекло ГЛС21) или 25% (ГЛС1) [13] по сравнению с максимально достижимой при обычной колоколообразной форме импульса, либо при той же величине k на 30 - 40 % снизить плотность энергии накачки.

Для определения эффективности съема энергии с ДУ 15 см при однопроходном усилении лазерного импульса проведены результаты расчетов, в которых определялись предельная выходная мощность и КПД ДУ при длительности лазерного импульса и = 0,1 - 20 нс в условиях ограничения мощности эффектом МС и разрушением поверхностей оптических элементов на выходе ДУ. Расчет производился для двух вариантов. В первом определялись предельные характеристики изолированного ДУ 15 см, когда не конкретизировалось лазерное устройство, с помощью которого пучок подавался на вход ДУ. Во втором варианте рассчитывались характеристики четырехкаскадного усилителя, в котором ДУ использовался в качестве оконечного каскада. Насыщение усиления учитывалось с помощью уравнения Франца-Нодвика, причем плотность энергии насыщения 4,5 Дж/см2 для стекла ГЛС21 во всем рассматриваемом диапазоне и была взята из измерений, выполненных для импульсов длительностью 1 и 25 нс вплоть до плотности энергии 8 Дж/см2 [14,15]. Ограничение съема энергии из-за МС пучка в стекле учитывалось с помощью интеграла распада В, который в расчетах не должен был превышать критического значения ~3 (В-ограничение) [4]. Ограничение, связанное с разрушением поверхностей элементов (Е-ограничение), учитывалось с помощью данных о порогах разрушения. Данные о порогах разрушения брались из работы [16]. При проведении расчетов использованы характеристики усилителей и данные по пропусканию ВПФ из работы [17].

Показано, что изолированный ДУ 15 см обеспечивает мощность выходного пучка в субнаносекундном импульсе 2,5 ТВт, которая ограничена величиной В-интеграла вплоть до и = 0,5 нс. Ограничение энергии выходного пучка на уровне ~1,4 кДж при и = 1 нс связано с разрушением поверхностей элементов на выходе усилителя при использовании предусилителя аналогичного использованному в работе [17]. При увеличении длительности импульса до 5…10 нс и соответствующей оптимизации схемы многокаскадный усилитель с оконечным ДУ 15 см может обеспечить КПД ~0,5 % и энергию ~3 кДж.

В заключение раздела отмечается, что в настоящее время для увеличения энергии и КПД лазеров для ЛТС используются относительно небольшой предварительный усилитель и многопроходные схемы для выходных дисковых усилителей, выполненных в модульном исполнении10.

В разделе 1.2 рассматриваются методы минимизации угловой расходимости лазерных систем. Излучение ЗГ может быть сформировано таким образом, что его расходимость будет практически ограничена дифракционным пределом. По мере распространения пучка в усилителе его расходимость ухудшается как вследствие неидеальной обработки оптических элементов, так и из-за термооптических искажений, вызванных накачкой усилительных каскадов. Радикальным способом повышения направленности лазерных пучков является метод ОВФ излучения в нелинейных средах11.

Использование ОВФ и описанных выше методов формирования мощных пучков, а также применение в качестве ВРМБ–зеркала схемы “генератор-усилитель” [20], позволило получить на выходе лазера на неодимовом стекле с оконечными ДУ пучок с высокой мощностью и малой расходимостью излучения близкой к дифракционной (более половины энергии пучка из 450 Дж заключено в угловом растворе, равном диаметру центрального максимума Эйри-распределения для пучка 85 мм).

Важная роль зоны перед каустикой ВРМБ-зеркала показана в работе, посвященной исследованию ОВФ сканирующего (с помощью электрооптического дефлектора) в пространстве пучка [21]. Одной из целей работы было исследование возможности увеличения падающей на ВРМБ–зеркало энергии за счет снижения плотности энергии в каустике во избежание развития пробоя и других конкурирующих процессов на качество ОВФ. Исследовалось ОВФ сканирующего пучка при различных скоростях развертки в нескольких средах (CCl4, SiCl4, стекло ГЛС-6).

-------------------------------------------------------------------------------------

10. Воронич И.Н., Галахов В.И., Гаранин С.Г. и др., Измерение коэффициента усиления в дисковом усилительном каскаде с активными элементами из неодимового фосфатного стекла, Квантовая электроника, 33, 2003, с.485-488.



Pages:     | 1 || 3 | 4 |   ...   | 5 |
 





 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.