Устройство формирования пространственного профиля интенсивности лазерного пучка
Владельцы патента RU 2565354:
Федеральное государственное унитарное предприятие "Российский Федеральный ядерный центр-Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики"-ФГУП "РФЯЦ-ВНИИЭФ" (RU)
Изобретение относится к лазерной технике и может быть использовано для получения световых пучков с заданным пространственным профилем интенсивности. Устройство формирования пространственного профиля интенсивности лазерного пучка включает последовательно расположенные по ходу распространения лазерного пучка прозрачный оптический элемент, по световой апертуре которого распределены элементы, изменяющие параметры проходящего через них лазерного излучения, фильтр пространственных частот, ретранслятор изображения. Элементы, распределенные по световой апертуре прозрачного оптического элемента, выполнены в форме сплошных, прямых, параллельных друг другу линий одинаковой ширины. Длина каждой линии превышает размер апертуры лазерного пучка. Расстояние между линиями неодинаковое и выбирается в соответствии с функцией распределения интенсивности формируемого пространственного профиля пучка в плоскости, перпендикулярной линиям. Элементы, распределенные по световой апертуре прозрачного оптического элемента, обеспечивают или рассеяние, или изменение интенсивности или поляризации, или совокупность рассеяния, изменения интенсивности и поляризации проходящего через них лазерного излучения. Технический результат - снижение общего числа элементов и координат для их позиционирования. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.
Изобретение относится к области квантовой электроники, в частности к лазерной технике, и может быть использовано для получения световых пучков с заданным пространственным профилем интенсивности.
Уровень техники.
Большинство современных лазерных установок на неодимовом стекле, предназначенных для проведения исследований в области лазерного термоядерного синтеза, применяют в главном усилительном тракте широкоапертурные каскады с дисковыми активными элементами прямоугольной апертуры, расположенными под углом Брюстера относительно проходящего пучка. Суперлюминесценция в объеме отдельного дискового активного элемента заметно проявляется вдоль большей его стороны и приводит к формированию неоднородного коэффициента усиления по апертуре усилительного каскада. Изначально равномерный пространственный профиль интенсивности лазерного пучка на выходе такого каскада искажается, что в результате требует снижения общей выходной энергии пучка с целью уменьшения вероятности разрушения оптических элементов на выходе установки. Формирование пучка с равномерным (в разных источниках - прямоугольным, столообразным или flattop) пространственным профилем интенсивности и получение предельной энергии излучения без разрушения оконечных оптических элементов возможно посредством применения на входе силового тракта пучка, форма пространственного профиля которого предварительно задана по определенному закону для последующей компенсации апертурных неоднородностей коэффициента усиления в каскадах.
Как правило, форма компенсирующего пространственного профиля интенсивности пучка на входе усилительного тракта с широкоапертурными дисковыми каскадами одинаковая в одной из плоскостей вдоль направления распространения и всех плоскостях, параллельных ей, по всей апертуре пучка.
Например, согласно работе [B.M. Van Wonterghem, J.T. Salmon, R.W. Wilcox Beamlet pulse-generation and wavefront-control system, ICF Quarterly Report Lawrence Livermore National Laboratory v. 5, No. 1, pp. 42-51, 1994, 1] форма компенсирующего пространственного профиля пучка на входе усилительного тракта лазерной установки Beamlet представляет собой параболу, протяженную вдоль одной стороны квадрата апертуры пучка.
Известно устройство формирования пространственного профиля интенсивности лазерного пучка (аналог), включающее последовательно расположенные по ходу распространения лазерного пучка прозрачный оптический элемент, по световой апертуре которого распределен элемент в виде слоя металла с переменной по апертуре толщиной, изменяющий параметр (интенсивность) проходящего через него лазерного излучения, а также ретранслятор изображения [B.M. Van Wonterghem, J.T. Salmon, R.W. Wilcox Beamlet pulse-generation and wavefront-control system, ICF Quarterly Report Lawrence Livermore National Laboratory v. 5, No. 1, pp. 42-51, 1994, 1]. Устройство формирует пространственный профиль интенсивности лазерного пучка с одинаковой функцией распределения интенсивности в одной из плоскостей вдоль направления распространения пучка и всех плоскостях, параллельных ей, по всей апертуре пучка.
Недостатками устройства являются низкая лучевая прочность и сложность изготовления прозрачного оптического элемента, по световой апертуре которого распределен элемент, изменяющий параметр проходящего через него лазерного излучения.
Известно устройство формирования пространственного профиля интенсивности лазерного пучка, выбранное в качестве прототипа, включающее последовательно расположенные по ходу распространения лазерного пучка прозрачный оптический элемент, по световой апертуре которого распределены элементы, изменяющие параметр (интенсивность) проходящего через них лазерного излучения, фильтр пространственных частот, ретранслятор изображения [C. Dorrer, J.D. Zuegel Design and analysis of binary beam shapers using error diffusion, Journal of the Optical Society of America, series B, Vol. 24, No. 6, pp. 1268-1275, 2]. Элементы, распределенные по световой апертуре прозрачного оптического элемента, выполнены в форме квадратов одинакового размера. Устройство формирует пространственный профиль интенсивности лазерного пучка с одинаковой функцией распределения интенсивности в одной из плоскостей вдоль направления распространения пучка и всех плоскостях, параллельных ей, по всей апертуре пучка.
Недостатками устройства следует признать необходимость двухкоординатного позиционирования большого числа элементов, распределенных по световой апертуре прозрачного оптического элемента, изменяющих параметры проходящего через них лазерного излучения, что неоправданно усложняет возможность получения требуемой формы пространственного профиля интенсивности лазерного пучка.
Техническим результатом изобретения является снижение общего числа элементов и координат для их позиционирования по световой апертуре прозрачного оптического элемента при формировании пространственного профиля интенсивности лазерного пучка с одинаковой функцией распределения интенсивности в одной из плоскостей вдоль направления распространения пучка и всех плоскостях, параллельных ей, по всей апертуре пучка.
Этот технический результат в предлагаемом решении достигается тем, что в отличие от известного устройства формирования пространственного профиля интенсивности лазерного пучка, который включает последовательно расположенные по ходу распространения лазерного пучка прозрачный оптический элемент, по световой апертуре которого распределены элементы, изменяющие параметры проходящего через них лазерного излучения, фильтр пространственных частот, ретранслятор изображения, в предложенном устройстве элементы, распределенные по световой апертуре прозрачного оптического элемента, выполнены в форме сплошных, прямых, параллельных друг другу линий одинаковой ширины, длина каждой линии превышает размер апертуры лазерного пучка, расстояние между линиями неодинаковое и выбирается в соответствии с функцией распределения интенсивности формируемого пространственного профиля пучка в плоскости, перпендикулярной линиям, причем элементы, распределенные по световой апертуре прозрачного оптического элемента, обеспечивают, или рассеяние или изменение интенсивности или поляризации, или совокупность рассеяния, изменения интенсивности и поляризации проходящего через них лазерного излучения.
Помимо вышеназванного, устройство формирования пространственного профиля интенсивности лазерного пучка может быть дополнено поляризационно-селектирующим элементом, располагаемым между фильтром пространственных частот и прозрачным оптическим элементом, по световой апертуре которого распределены элементы, изменяющие параметры проходящего через них лазерного излучения.
Покажем, каким образом достигается указанный выше технический результат.
Известно, что пропусканием лазерного пучка через прозрачный оптический элемент, по световой апертуре которого распределены с одинаковым периодом элементы, выполненные в форме сплошных, прямых, параллельных друг другу линий одинаковой ширины, изменяющие интенсивность лазерного излучения и последующей пространственной фильтрацией пучка, можно менять интенсивность лазерного пучка [С.А. Ахманов, С.Ю. Никитин. Физическая оптика, М., изд-во "Наука", 2004, стр. 434-438, 3]. Наиболее наглядно этот принцип демонстрируется при использовании пропускающей дифракционной решетки, преобразующей прошедший пучок в дискретный набор пучков, распространяющихся под разными углами относительно направления распространения исходного пучка. Последующим пропусканием сформированных на выходе дифракционной решетки пучков через фильтр пространственных частот можно отсечь пучки, распространяющиеся под углом относительно направления следования центрального пучка, интенсивность которого в результате окажется уменьшенной. При неизменной одинаковой ширине элементов дифракционной решетки, изменяющих интенсивность проходящего через них лазерного излучения, уровень интенсивности центрального пучка зависит от ширины прозрачного промежутка между данными элементами. В работе [J.M. Auerbach, V.M. Karpenko, Appl. Opt., 3179-3183, 1994, 4] показано, что пропусканием лазерного пучка через распределенные элементы, изменяющие интенсивность лазерного излучения, фильтр пространственных частот и ретранслятор изображения, можно сгладить вносимые в пучок изменения интенсивности с одновременным формированием коллимированного пучка. При этом распределение интенсивности в пучке, прошедшего через элементы, изменяющие интенсивность лазерного излучения, на выходе фильтра пространственных частот и ретранслятора изображения соответствует функции пропускания интенсивности прозрачными промежутками между распределенными элементами. Таким образом, из вышесказанного следует, что применение изменяющих интенсивность лазерного излучения элементов, выполненных в форме сплошных, прямых, параллельных друг другу линий одинаковой ширины, расстояние между которыми неодинаковое, позволяет формировать в пучке на выходе фильтра пространственных частот и ретранслятора изображения сглаженный пространственный профиль интенсивности коллимированного пучка, в котором функция распределения интенсивности, во всех плоскостях, перпендикулярных линиям, одинаковая и пропорциональна функции изменения величины прозрачного промежутка между элементами, выполненными в форме сплошных, прямых, параллельных друг другу линий одинаковой ширины.
В предлагаемом техническом решении выполнение элементов, изменяющих интенсивность лазерного излучения, в форме сплошных, прямых, параллельных друг другу линий одинаковой ширины, расстояние между которыми неодинаковое и выбирается в соответствии с функцией распределения интенсивности формируемого пространственного профиля пучка в плоскости, перпендикулярной линиям, позволяет формировать на выходе фильтра пространственных частот и ретранслятора изображения сглаженный пространственный профиль интенсивности пучка, функция распределения интенсивности в котором во всех плоскостях вдоль одной координаты одинаковая, а по ортогональной координате в любой плоскости распределение интенсивности однородное (одинаковая интенсивность по всему сечению). Причем уровень интенсивности однородного распределения меняется от одной плоскости к параллельно расположенной другой и определяется величиной прозрачных промежутков между элементами, выполненных в форме линий, вблизи рассматриваемой плоскости. Очевидно, выполнение условия однородности распределения интенсивности во всех плоскостях, параллельных линиям, в пределах апертуры пучка возможно при условии превышении длины каждой линии размера апертуры лазерного пучка, т.е. все части апертуры пучка должны проходить через область, содержащую линии. В противном случае интенсивность излучения не прошедшего сквозь линии и прозрачные промежутки между линиями не будет меняться и условие однородности пространственного профиля интенсивности в плоскостях, параллельных линиям, в пределах апертуры пучка нарушится.
Известно, что рассеянное лазерное излучение представляет собой световой поток, распространяющийся во всевозможных направлениях. Известно, что пропусканием лазерного пучка через фильтр пространственных частот и ретранслятор изображения можно отсечь излучение, распространяющееся под углом по отношению к оптической оси, тем самым уменьшить интенсивность пучка [Физическая энциклопедия, т. 4, ред. А.М.Прохоров, 1994, 5].
В предлагаемом техническом решении применение элементов, распределенных по световой апертуре прозрачного оптического элемента, обеспечивающих рассеяние проходящего через них излучения, позволяет на выходе фильтра пространственных частот и ретранслятора изображения снизить интенсивность частей пучка, прошедших сквозь элементы, распределенные по световой апертуре прозрачного оптического элемента. При этом тот же фильтр пространственных частот и ретранслятор изображения проведут сглаживание изменений интенсивности в пучке и сформируют пространственный профиль с одинаковой функцией изменения интенсивности в плоскостях, перпендикулярных линиям, в форме которых выполнены элементы, распределенные по световой апертуре прозрачного оптического элемента.
Известно, что изменение поляризации лазерного пучка, проходящего через поляризационно-селектирующий элемент, приводит к изменению интенсивности лазерного пучка [Л.С. Жданов. "Учебник по физике", М., изд-во «Наука», 1975, 6].
В предлагаемом техническом решении постановка поляризационно-селектирующего элемента между фильтром пространственных частот и прозрачным оптическим элементом, по световой апертуре которого распределены элементы, обеспечивающие изменение поляризации проходящего через них излучения, позволяет преобразовать измененную по отношению к исходному пучку поляризацию частей пучка в изменение интенсивности и далее провести процесс сглаживания изменений интенсивности по вышеописанной схеме. Наиболее целесообразно применение поляризационно-селектирующего элемента в случае формирования пространственного профиля пучка с линейной или близкой к линейной поляризацией.
Применение элементов, распределенных по световой апертуре прозрачного оптического элемента, обеспечивающих совокупность рассеяния, изменения интенсивности и поляризации проходящего через них излучения, позволяет в ряде случаев снизить уровень поглощенного элементами излучения и тем самым повысить порог их разрушения при формировании пространственного профиля интенсивности мощного пучка. Например, согласно работе [Ю.К. Данилейко, А.А. Маненков, В.С. Нечитайло. Труды ФИАН, т. 101, М., изд-во "Наука", 1978, 7], поверхностные и объемные разрушения прозрачного диэлектрика представляют собой локальные области сильно разупорядоченной структуры материала самого диэлектрика (трещины, проплавы, помутнения и др.), которые, помимо поглощения, приводят к сильному рассеиванию и изменению состояния поляризации проходящего через них излучения, что позволяет избежать их чрезмерного нагрева и разрушения прилегающих областей диэлектрика.
Позиционирование элементов, выполненных в форме сплошных, прямых, параллельных друг другу линий одинаковой ширины, длина которых превышает размер апертуры лазерного пучка, требует задания значительно меньшего числа координат, определяющих положение линий. В частности возможно однокоординатное позиционирование, при котором начала всех линий расположены на одной прямой и позиционирующая координата определяет расстояние начала каждой линии относительно начала первой линии. Для многих технологических процессов изготовления элементов в форме линий, например, лазерная резка, это позволяет во много раз уменьшить время создания программы для управления работой лазера и сэкономить ресурс работы лазера, так как уменьшается общее число итераций в режиме работы "старт-стоп".
На фиг. 1 изображена схема предлагаемого устройства, где 1 - прозрачный оптический элемент, по световой апертуре которого распределены элементы, выполненные в форме сплошных, прямых, параллельных друг другу линий одинаковой ширины, длина каждой линии превышает размер апертуры лазерного пучка, расстояние между линиями неодинаковое и выбирается в соответствии с функцией распределения интенсивности формируемого пространственного профиля пучка в плоскости, перпендикулярной линиям, элементы, распределенные по световой апертуре прозрачного оптического элемента, обеспечивают или рассеяние, или изменение интенсивности или поляризации, или совокупность рассеяния, изменения интенсивности и поляризации проходящего через них лазерного излучения, 2 - поляризационно-селектирующий элемент, 3 - фильтр пространственных частот, 4 - ретранслятор изображения.
На фиг. 2 представлены эскизы прозрачных оптических элементов, по световой апертуре которых, в соответствии с разными функциями, распределены элементы, выполненные в форме сплошных, прямых, параллельных друг другу линий одинаковой ширины.
На фиг. 3 представлены ближние зоны с трехмерными и двухмерными пространственными профилями интенсивности пучков, формируемых на выходе схемы фиг. 1, при различных вариантах распределения элементов (см. фиг. 2), выполненных в форме сплошных, прямых, параллельных друг другу линий одинаковой ширины.
Работа предлагаемого устройства проводится следующим образом. Исходный лазерный пучок проходит через прозрачный оптический элемент 1 (фиг. 1), по световой апертуре которого распределены элементы, выполненные в форме сплошных, прямых, параллельных друг другу линий одинаковой ширины, длина каждой линии превышает размер апертуры лазерного пучка, расстояние между линиями неодинаковое и выбирается в соответствии с функцией распределения интенсивности формируемого пространственного профиля пучка в плоскости, перпендикулярной линиям, элементы, распределенные по световой апертуре прозрачного оптического элемента, обеспечивают или рассеяние, или изменение интенсивности или поляризации, или совокупность рассеяния, изменения интенсивности и поляризации проходящего через них лазерного излучения.
На выходе прозрачного оптического элемента в пучке формируются зоны в виде полос рассеянного излучения или с измененными по отношению к основному пучку поляризацией или интенсивностью, или совокупностью рассеянного излучения и измененными по отношению к основному пучку поляризацией и интенсивностью, расстояние между которыми соответствует расстоянию между линиями, распределенными по световой апертуре прозрачного оптического элемента. Посредством последующего пропускания пучка через фильтр пространственных частот 3 зоны рассеянного излучения и измененной интенсивности сглаживаются и формируется пространственный профиль с одинаковой функцией распределения интенсивности во всех плоскостях вдоль одной координаты, перпендикулярной линиям, в форме которых выполнены элементы, распределенные по световой апертуре прозрачного оптического элемента. Поляризационно-селектирующий элемент 2 устанавливается между фильтром пространственных частот 3 и прозрачным оптическим элементом 1 с целью преобразования изменений поляризации в изменения интенсивности частей пучка, прошедших через элементы в форме линий, распределенных по световой апертуре прозрачного оптического элемента. Ретранслятор изображения 4 осуществляет коллимацию пучка и перестроение изображения прозрачного оптического элемента 1 в заданную плоскость с возможностью изменения размера апертуры формируемого пучка. Ретранслятор изображения может быть совмещен с фильтром пространственных частот, например, применением двух софокусно расположенных собирающих линз с размещением селектирующей диафрагмы в их общей фокальной плоскости.
Прозрачный оптический элемент, по световой апертуре которого распределены элементы, выполненные в форме сплошных, прямых, параллельных друг другу линий одинаковой ширины, может быть выполнен следующими способами.
В случае обеспечения рассеяния проходящего лазерного излучения элементы могут быть выполнены, например, в виде участков сильной шероховатости или в виде каналов на поверхности прозрачной подложки.
В случае обеспечения изменения интенсивности проходящего лазерного излучения элементы могут быть выполнены, например, методом лазерной резки металлической фольги или фотолитографическим способом.
В случае обеспечения изменения поляризации проходящего лазерного излучения элементы могут быть выполнены, например, методом травления поверхности двулучепреломляющего кристалла. При этом возможен, например, вариант поворота исходной поляризации на 90° для частей пучка, прошедших сквозь элементы.
В случае обеспечения совокупности рассеяния, изменения интенсивности и поляризации проходящего лазерного излучения элементы могут быть выполнены, например, методом поверхностных или объемных разрушений прозрачного оптического элемента мощным сфокусированным лазерным излучением. При этом для усиления эффекта изменения поляризации проходящего через элементы излучения целесообразно применение, в качестве прозрачного оптического элемента, двулучепреломляющего кристалла.
В РФЯЦ-ВНИИЭФ создан лазерный стенд, на котором экспериментально подтверждена работоспособность предлагаемого устройства формирования пространственного профиля интенсивности лазерного пучка. Прозрачный оптический элемент выполнен в виде подложки из стекла К8. Элементы, выполненные в форме сплошных, прямых, параллельных друг другу линий одинаковой ширины, изготовлены методами резки поверхности и формирования объемных разрушений прозрачной подложки мощным лазерным излучением. Минимальная ширина линий составляла ≈10 мкм. Длина всех линий одинаковая, причем начало всех линий располагалось на одной прямой, перпендикулярной линиям. Подобное формирование линий потребовало задания в программе режущего лазера только одной позиционирующей координаты, определяющей расстояние каждой линии относительно первой линии, что позволило, например, на апертуре пучка 20×20 мм и требуемом пространственном профиле интенсивности формируемого пучка задать в ≈580 раз меньшее число координат для управления перемещением луча режущего лазера.
Прозрачный оптический элемент с распределенными по световой апертуре элементами, изменяющими параметры проходящего через них излучения, изготавливался по следующему принципу. В среде Matlab, исходя из расчетного требуемого профиля пучка и доступной при изготовлении ширины линий, в форме которых выполнены элементы, изменяющие параметры проходящего через них излучения, определялась функция распределения линий относительно друг друга. На основании рассчитанной функции создавалась одномерная матрица координат, задающих расстояния между линиями. Затем полученная матрица загружалась в систему управления режущего лазера.
Изобретение найдет применение в мощных лазерных установках, таких как устройство формирования пространственного профиля интенсивности лазерного пучка с одинаковой функцией распределения интенсивности в одной из плоскостей вдоль направления распространения пучка и всех плоскостях, параллельных ей, по всей апертуре пучка.
1. Устройство формирования пространственного профиля интенсивности лазерного пучка, включающее последовательно расположенные по ходу распространения лазерного пучка прозрачный оптический элемент, по световой апертуре которого распределены элементы, изменяющие параметры проходящего через них лазерного излучения, фильтр пространственных частот, ретранслятор изображения, отличающееся тем, что элементы, распределенные по световой апертуре прозрачного оптического элемента, выполнены в форме сплошных, прямых, параллельных друг другу линий одинаковой ширины, длина каждой линии превышает размер апертуры лазерного пучка, расстояние между линиями неодинаковое и выбирается в соответствии с функцией распределения интенсивности формируемого пространственного профиля пучка в плоскости, перпендикулярной линиям, причем элементы, распределенные по световой апертуре прозрачного оптического элемента, обеспечивают или рассеяние, или изменение интенсивности или поляризации, или совокупность рассеяния, изменения интенсивности и поляризации проходящего через них лазерного излучения.
2. Устройство формирования пространственного профиля интенсивности лазерного пучка по п. 1, отличающееся тем, что между фильтром пространственных частот и прозрачным оптическим элементом, по световой апертуре которого распределены элементы, изменяющие параметры проходящего через них лазерного излучения, расположен поляризационно-селектирующий элемент.
