СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ФОРМИРОВАНИЯ МОЩНОГО ЛАЗЕРНОГО ИМПУЛЬСА

СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ФОРМИРОВАНИЯ МОЩНОГО ЛАЗЕРНОГО ИМПУЛЬСА


RU (11) 2267197 (13) C1

(51) 7 H01S3/00 

(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ 
Статус: по данным на 25.10.2007 - действует 

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

Документ: В формате PDF 
(21) Заявка: 2004112462/28 
(22) Дата подачи заявки: 2004.04.23 
(24) Дата начала отсчета срока действия патента: 2004.04.23 
(45) Опубликовано: 2005.12.27 
(56) Список документов, цитированных в отчете о поиске: RU 2014690 C1, 15.06.1994.

SU 1368890 A1, 23.01.1988. 

JP 2004087541, 18.03.2004.

JP 2003332665, 21.11.2003. 
(72) Автор(ы): Федотов С.И. (RU); Круглов Б.В. (RU); Осипов М.В. (RU); Стародуб А.Н. (RU) 
(73) Патентообладатель(и): Физический институт им. П.Н. Лебедева Российской академии наук (RU) 
Адрес для переписки: 119991, Москва, В-333, ГСП-1, Ленинский пр-кт, 53, Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН, патентный отдел 

(54) СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ФОРМИРОВАНИЯ МОЩНОГО ЛАЗЕРНОГО ИМПУЛЬСА

Изобретение относится к лазерной технике и может быть использовано технике мощных многоканальных лазерных установок с уровнем мощности излучения >1012 Вт. Способ построения лазера основан на формировании частично когерентного лазерного импульса. Характеристики лазерного импульса заданы расчетной функцией взаимной когерентности. Значения функции необходимы и достаточны для оптимального согласования системы лазер-мишень. Устройство формирования мощного лазерного импульса содержит задающий генератор, систему формирования пространственно-временных характеристик лазерного импульса, усилители. Усилители размещены последовательно по возрастающему сечению усиливаемого пучка в соответствии с пространственно-угловым распределением интенсивности излучения. Распределение согласовано с расчетной функцией взаимной когерентности. Техническим результатом является создание лазерной установки, обеспечивающей формирование высокооднородного распределения интенсивности в фокусе лазера, при упрощении ее конструкции, сокращении габаритов, повышении эффективности съема инверсии и снижении стоимости единицы лазерной энергии. 2 н.п. ф-лы, 1 ил. 




ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ


Изобретение относится к лазерной технике.

Изобретение может быть использовано при создании мощных многоканальных лазерных установок с уровнем мощности излучения >1012 Вт. 

Известен способ формирования мощного лазерного импульса на основе когерентного излучения (Установка Дельфин, Басов Н.Г. и др. "Труды ФИАН", 1978, 103, 3-51). В установке использовалась система последовательно-параллельного размещения усилительных каналов с активными однотипными стержневыми элементами из Nd-стекла марки ГЛС-1 (диаметром 45 мм и длиной накачиваемой части 600 мм). Повышение энергии и улучшение пространственно-угловых характеристик лазерного излучения осуществлялось за счет пространственного деления пучка с последующим усилением. Недостатком этого способа, при используемом объеме активного материала, является низкий уровень плотности мощности на выходе ˜1 ГВт/см2 , который ограничивался порогом развития самофокусировки.

Известен также способ формирования мощного лазерного импульса на основе когерентного излучения с использованием пространственных фильтров-расширителей пучка (The Shiva Laser-Fusion Facility, Speck D.R. et al. "IEEE J. of Quant. Electron.", 1981, QE-17, 9, 1599-1619.) Установка "Шива" включает 20 параллельных усилительных каналов, каждый из которых состоит из стержневых и дисковых усилителей, изолирующих элементов, пространственных фильтров. Выходная апертура 200 мм при входной - 26 мм. Суммарная мощность фокусируемого излучения ˜30 ТВт. Основной недостаток такого способа - практически невозможно достижение требуемой однородности облучения сферической мишени. Это обусловлено тем, что в протяженной усилительной системе лазерный импульс проходит сквозь десятки различных оптических элементов, что, в свою очередь, даже при высоком качестве обработки оптических поверхностей приводит к значительным аберрациям волнового фронта. Кроме того, на качество излучения оказывают влияние такие явления, как интерференция и дифракция излучения, мелкомасштабная самофокусировка пучков в оптических средах и т.д. Применение в усилительном тракте специальной оптики позволяет улучшить структуру волнового фронта фокусируемого излучения и согласовать ширину распределения интенсивности в фокусе объектива с размерами мишени. Однако при этом на поверхности мишени формируется спекл-структура, стационарная за время длительности импульса и неустранимая методами линейной оптики.

Большинство действующих в настоящее время и создаваемых вновь мощных лазерных установок основаны также на использовании когерентного излучения (Лазерные термоядерные установки, Басов Н.Г. и др. Радиотехника, 1984, том 25, часть 1.).

Основными недостатками установок на основе когерентного излучения являются:

1. Практическая невозможность реализации требуемой однородности облучения мишени, как следствие неоднородности распределения интенсивности излучения в фокусе лазера.

2. Необходимость применения сложных устройств для подавления мелкомасштабной самофокусировки в оптической среде лазера.

3. Принципиальная невозможность удаления спекл-структуры с поверхности мишени.

4. Сложность конструкции и высокая стоимость единицы лазерной энергии.

Задачей, решаемой изобретением, является создание лазерной установки, обеспечивающей формирование высокооднородного распределения интенсивности в фокусе лазера, при упрощении ее конструкции, сокращении габаритов, повышении эффективности съема инверсии и снижении стоимости единицы лазерной энергии.

Для решения этой задачи предложен способ формирования мощного лазерного импульса, основанный на использовании частично когерентного лазерного излучения, характеристики которого заданы функцией взаимной когерентности Г(x1, x2 , t), значения которой необходимы и достаточны для обеспечения однородного распределения интенсивности на выходе и в фокусе лазера. При применении частично когерентного лазерного импульса в оптической среде лазера подавляются интерференционные и дифракционные явления и, как следствие, мелкомасштабная самофокусировка лазерных пучков, ограничивающая удельный энергосъем с активной среды лазера. 

Возможность создания таких лазеров основана на том, что практически во всех действующих в настоящее время и создаваемых вновь установках для лазерного термоядерного синтеза когерентность излучения избыточна. Действительно, когерентный пучок лазерного излучения при фокусировке может быть сконцентрирован в пятно, размер которого определяется радиусом кружка Эйри, т.е.



где - длина волны излучения. Отсюда видно, что при светосиле объектива D/F˜1/10 и ˜1 мкм радиус пятна фокусировки составляет ˜12 мкм, что значительно меньше размеров термоядерной мишени (˜1 мм). Поэтому возможно снижение степени пространственной когерентности излучения на фактор dм/dФ, что приводит к более эффективному согласованию параметров системы лазер-мишень, где dм /dФ - отношение размеров мишени и фокального пятна. 

Выражение для функции взаимной когерентности Г[х1 , х2, t] лазерных импульсов длительностью ˜ 10-9 сек, можно представить в виде



где степень пространственной когерентности 12=/(·D) - размер когерентности, отнесенный к апертуре пучка, а степень временной когерентности импульса = 2/(·с·) - время когерентности, нормированное на длительность импульса ; - расходимость лазерного пучка, - ширина линии генерации, с - скорость света. В приближении линейной оптики степень пространственной когерентности лазерного пучка 12 определяет характерный пространственный масштаб неоднородности амплитуды поля излучения, и для случая частично когерентного излучения 0< 12<1. Степень временной когерентности импульса - это степень усреднения неоднородности амплитуды поля за время, равное длительности импульса . 

Проанализируем предельно-возможные значения степени пространственной когерентности 12, допустимые для реализации на поверхности мишени заданной плотности потока излучения qм. Выражение для плотности потока в фокусе объектива со светосилой D/F имеет вид



где Вл - яркость лазерного пучка. Проведя несложные преобразования, получим формулу для допустимого значения степени когерентности в виде



где qЛ - плотность потока лазерного излучения на выходе.

Параметр 12 играет важнейшую роль в лазерах для ЛТС. Во-первых, именно его значением определяется характерный пространственный масштаб неоднородности плотности потока излучения на мишени x˜·F· 12 и, во-вторых, его изменением достигается возможность управления распределением интенсивности в плоскости мишени. Например, для qм=1014 Вт/см2 при диаметре выходной апертуры усилительной системы 60 мм, степень когерентности пучка может быть снижена до величины 2·10-2. При этом массив точек для управления распределением интенсивности в пределах пятна фокусировки составляет 2,5·103 . Увеличение апертуры формируемых пучков ведет к расширению возможностей управления распределением интенсивности.

Механизм развития мелкомасштабной самофокусировки в оптической среде выглядит следующим образом. При распространении мощной световой волны в неоднородной среде возникает рассеянное излучение, интенсивность и угловой спектр которого определяются плотностью неоднородностей и их характерными размерами. Поле рассеянного излучения когерентно по отношению к излучению лазерного импульса, что приводит в результате их интерференционного взаимодействия к пространственной модуляции амплитуды поля сильной волны в широком интервале пространственных частот возмущений. При распространении лазерного импульса в среде с нелинейным показателем преломления амплитуда возмущений а(х m) возрастает различно для разных пространственных частот хm. Наиболее интенсивно усиливается некоторый выделенный пространственный масштаб возмущений а(хМ ). Рост возмущений в этом случае, при достижении их амплитудой некоторой критической величины, приводит к развитию мелкомасштабной самофокусировки лазерного пучка, формированию нитевидных разрушений активной среды лазера и полной деградации лазерного пучка.

При усилении частично когерентного излучения картина явления существенно отличается. Во-первых, сильная волна представляет собой не -функцию, а некоторую кривую I(), ширина которой соизмерима со спектром рассеянного излучения. Во-вторых, картина взаимодействия двух волн непостоянна ни во времени, ни в пространстве. И, наконец, интерференционное взаимодействие рассеянного излучения возможно только в пределах размера когерентности сильной волны.

Временная когерентность не оказывает сколько-нибудь существенного влияния на пространственное распределение амплитуды поля лазерного излучения. Единственное, в чем может проявляться ограниченность длины когерентности L ког= 2/, - это взаимодействие рассеянного излучения, распространяющегося под большим углом к оси пучка, с полем сильной волны. В этом случае, если до точки наблюдения разность хода лучей превысит длину когерентности, интерференционная картина не наблюдается и происходит обрезание высоких пространственных частот в спектре нелинейного усиления шума.

Еще одним преимуществом лазеров, построенных по принципу формирования импульсов с расчетной функцией взаимной когерентности излучения, является существенное упрощение требований к используемой оптике.

В самом деле, для "проводки" лазерного пучка с расходимостью через сложную оптическую систему без нарушения его качества, необходимо, чтобы суммарная волновая аберрация, обусловленная неоднородностью оптической среды по показателю преломления, отклонениям поверхностей используемой оптики от идеальной, тепловыми линзами и т.д., приводящими к ухудшению пучка, удовлетворяла условию: 



где n - показатель преломления среды, - длина волны излучения.

Если аберрации волнового фронта обусловлены, главным образом, отклонением формы изготовления поверхностей оптических элементов от идеальной, которую в оптике принято оценивать числом интерференционных колец N на базовой длине D, из неравенства (5) можно получить следующее условие на точность обработки поверхностей:



Здесь 0 - длина волны излучения контроля, М - количество оптических поверхностей в оптическом тракте лазера. Например, для дифракционного пучка ( 12˜1) значение N<1, для частично когерентного излучения величина N может быть увеличена на (1/ 12). Поэтому требования к качеству обработки оптических элементов схемы такого лазера существенно снижаются, а с учетом исключения из схемы пространственных фильтров, аподизирующих диафрагм и прочих устройств, используемых для поддержания качества пучков, затраты на изготовление лазера уменьшатся в несколько раз.

На чертеже представлена оптическая схема мощного импульсного лазера, в котором реализован способ формирования лазерного импульса с расчетной функцией взаимной когерентности излучения.

Приведенная схема состоит из следующих узлов:

1. Задающий генератор;

2. Система формирования пространственно-временных характеристик излучения;

3. Усилитель 20; 

4. Усилитель 30; 

5. Усилитель 45; 

6. Усилитель 45. 

Параметры мощного импульсного лазера приведены в таблице. 

Задающий генератор Линейный каскад усиления 
Выходная апертура 6 мм Выходная апертура 45 мм 
Длительность импульса 40 нс Длительность импульса 2 нс 
Энергия излучения 0.7 Дж Энергия излучения 100 Дж 
Расходимость 1.1·10-2 Расходимость 1.4·10-3 


Задающий генератор создает лазерный импульс с заданными параметрами по формы и длительности, а также пространственную и временную степени когерентности лазерного импульса.

Система формирования пространственно-временных характеристик лазерного излучения обеспечивает требуемый контраст и уровень энергии, необходимый для загрузки каскадов усиления.

В качестве активных элементов усилительных каскадов используются стержни длиной 680 мм из силикатного стекла марки ГЛС-1. Усилители с диаметром активных элементов 20, 30, 45, 45 мм образуют последовательную оптическую цепь, в которой происходит усиление частично когерентного излучения, сформированного в задающем генераторе и системе формирования пространственно-временных характеристик лазерного импульса.

Предложенное изобретение обеспечивает следующие технические преимущества:

1. Практически полное подавление спекл-структуры излучения для импульса наносекундной длительности.

2. Порог развития самофокусировки смещается в сторону больших значений лазерной нагрузки в активной среде лазера.

3. Отсутствие сложных оптических устройств коррекции волнового фронта лазерного пучка и существенное упрощение требований к используемой оптике. 

4. Возможность использования более длинных активных элементов с большими коэффициентами усиления.




ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ


1. Способ формирования мощного лазерного импульса, включающий создание и формирование пространственно-временных характеристик импульса, усиление его с подавлением самофокусировки, отличающийся тем, что формирование и усиление лазерного импульса производят по расчетной функции взаимной когерентности



где 0< 12=/(·D)<1 - степень пространственной когерентности;

= 2/(·с·) - степень временной когерентности;

- длительность импульса;

- длина волны излучения;

- расходимость лазерного пучка;

D - апертура пучка;

- ширина линии генерации;

с - скорость света.

2. Устройство формирования мощного лазерного импульса, содержащее задающий генератор, систему формирования пространственно-временных характеристик лазерного импульса, усилители, отличающееся тем, что усилители размещены последовательно по возрастающему сечению усиливаемого пучка в соответствии с пространственно-угловым распределением интенсивности излучения, согласованным с расчетной функцией взаимной когерентности.




ПРОЧИТАТЬ НУЖНО ВСЕМ !
Судьба пионерских изобретений и научных разработок, которым нет и не будет аналогов на планете еще лет сорок, разве что у инопланетян



Независимый научно технический портал

Подборка патентов изобретений и технологий относящихся к лазерным квантовым генераторам, а именно лазеры и лазерное оборудование:

- твердотельные полупроводниковые лазеры

- газовые лазеры

- химические лазеры

- практическое применение в промышленности, науке и в быту газовых, твердотельных и химических лазеров.


Лазеры. Лазерное оборудование






СОВЕРШЕННО БЕСПЛАТНО!
Вам нужна ПОЛНАЯ ВЕРСИЯ данного патента? Сообщите об этом администрации портала. В сообщении обязательно укажите ссылку на данную страницу.


ПОИСК ИНФОРМАЦИИ В БАЗЕ ДАННЫХ


Режим поиска:"и" "или"

Инструкция. Ключевые слова в поле ввода разделяются пробелом или запятой. Регистр не имеет значения.

Режим поиска "И" означает, что будут найдены только те страници, где встречается каждое из ключевых слов. При использовании режима "или" результатом поиска будут все страници, где встречается хотя бы одно ключевое слово.

В любом режиме знак "+" перед ключевым словом означает, что данное ключевое слово должно присутствовать в найденных файлах. Если вы хотите исключить какое-либо слово из поиска, поставьте перед ним знак "-". Например: "+газовый -лазер".

Поиск выдает все данные, где встречается введенное Вами слово. Например, при запросе "лазер" будут найдены слова "лазеры", "лазерный" и другие. Восклицательный знак после ключевого слова означает, что будут найдены только слова точно соответствующие запросу ("лазер!").



Рейтинг@Mail.ru