Введение к работе
Актуальность темы
Тепловые эффекты в оптических элементах во многом определяют режимы работы современных лазерных систем. Особенно актуальны проблемы, связанные с тепловыделением в непрерывных и импульсных лазерах с высокой средней и пиковой мощностью. Тепловые эффекты также играют существенную роль в оптических системах с повышенными требованиями однородности фазы и поляризации излучения.
Механизмов тепловых искажений несколько. Самый простой механизм - тепловая линза - зависимость показателя преломления от температуры [1, 2]. Градиенты температуры, в свою очередь, вызывают тепловые напряжения деформации [3, 4], влияющие на фазу излучения более сложным образом. Термонаведенные напряжения делают изотропную среду анизотропной, в анизотропной - поворачивают направления собственных поляризаций [5, 6]. В оптической керамике ситуация еще более усложняется - тепловые искажения приобретают неоднородности масштаба размера монокристаллической гранулы [7-13] .
Неоднородный нагрев оптических компонентов является камнем преткновения на пути наращивания мощности непрерывных твердотельных лазеров [14, 15]. Тепловые аберрации модулируют поляризационный и модовый состав генерации, сдвигают линии в резонаторе, нарушают полное внутреннее отражение, и т.д. В импульсных лазерах [16-20], по сути являющихся лазерными усилителями для маломощных лазерных осцилляторов [21-23], тепловыделение ограничивает частоту повторения импульсов. Современные импульсные системы петаваттного уровня мощности могут совершать выстрел не чаще чем раз в полчаса [24, 25] или даже реже [26, 27]. В импульсных лазерах проблемы поглощения накачки отчасти решает применение узкополосной диодной накачки [28, 29]. Это, однако, существенно увеличивает стоимость и не решает всех проблем с термонаведенными искажениями [30, 31], которые, хоть и в меньшей степени, но ограничивают частоту повторения импульсов.
Современные импульсные системы способны создать релятивистки сильные лазерные поля и в подавляющем большинстве основаны на принципах CPA (Chirped Pulse Amplification) [32, 33]. Чирпирование существенно снижает действие «быстрой» керровской нелинейности [34], но при этом влияние «медленных» тепловых эффектов остается прежним. В этом смысле выгодно отличаются системы, основанные на параметрическом усилении [35, 36], фактически лишенном тепловых эффектов. Однако, в лазере накачки тепловые эффекты неизбежно присутствуют и должны быть учтены и оптимизированы.
Большинство работ по термооптике твердотельных лазеров посвящено исследованию активных элементов, поскольку в них выделяется наибольшее количество тепла. В то же время высокая средняя мощность лазерного излучения приводит к тепловым эффектам из-за поглощения излучения и в части пассивных оптических элементов. В этом смысле интересным примером является детектор гравитационных волн LIGO [37-41] - измерительная система с высочайшими требованиями к качеству фазового фронта. Для достижения беспрецедентной чувствительности в нем используется довольно сложная интерферометрическая схема Фабри - Перо - Майкельсона с рециркуляцией [39]. Наличие тепловых эффектов в детекторе приводит к использованию сложной многошаговой процедуры выхода на рабочий режим, необходимости изощренной диагностики [42, 43] и компенсации [5, 44-46] тепловых искажений. При срыве с рабочего режима, мощность, идущая в обратном направлении, может на небольшое время превышать мощность лазерного источника. В этом сильно нестационарном режиме оптический изолятор Фарадея [47, 48] должен обеспечивать существенно более высокую степень изоляции при более высокой мощности выделении тепла. Учет таких переходных режимов и сопутствующих нестационарных тепловых эффектов необходим для снижения риска повреждения лазерного источника.
Изоляторы Фарадея, применяющиеся в подавляющем большинстве мощных лазерных систем, весьма чувствительны к термонаведенным искажениям. Изолятор предупреждает повреждение элементов обратными бликами и его стоимость может быть сопоставима или превышать стоимость лазерной системы, достигая миллионов евро [49]. Неоднородный нагрев из-за поглощения в магнитоактивном элементе изолятора приводит к деполяризации излучения [11, 50, 51] и заметному снижению степени изоляции [52, 53]. Немалую роль здесь играют как зависимость постоянной Верде от температуры [54], так и фотоупругий эффект [1]. Следовательно, разработка изоляторов Фарадея для высокой средней мощности излучения требует тщательного анализа тепловых эффектов.
Но тепловые эффекты далеко не всегда являются негативным и ограничивающим фактором в лазерной физике. В некоторых случаях они могут быть использованы для компенсации фазовых аберраций. Для этого в схему либо вводятся дополнительные элементы, тепловые искажения в которых компенсируют искажения оставшейся схемы [55, 56], либо осуществляется дополнительный нагрев сторонними источниками уже существующих элементов схемы [57]. Такой нагрев может различаться по способам осуществления, в том числе, совершаться посредством лазера.
На тепловых эффектах основаны целые классы измерительных приборов, среди которых можно отметить всевозможные измерители мощности и светочувствительные матрицы [58]. В диапазонах длин волн, где использование квантового фотоэффекта затруднительно из-за красной границы, фактически единственным способом измерения является болометрический [59-61], основанный на температурных изменениях различных параметров среды, нагреваемой электромагнитным излучением. Таким параметром может быть проводимость, емкость, показатель преломления и т.п. Таким образом, термона- веденные фазовые искажения в тестовом элементе могут быть использованы
для высокоточных измерений профиля интенсивности греющего излучения в ИК и даже СВЧ диапазоне.
Упомянутые примеры показывают, что функционирование современных лазерных систем невозможно без тщательного учета, а, возможно, и компенсации стационарных и динамических тепловых эффектов.
Цели и задачи диссертационной работы
Диссертационная работа объединяет в себе ряд теоретических и экспериментальных исследований в области термонаведенных искажений фазы и поляризации лазерного излучения. Целями теоретических исследований были:
-
Теоретический анализ искажения поляризации и фазы в цилиндрическом элементе в стационарном случае в приближениях, допускающих упрощение уравнений теплопроводности и упругости для произвольно ориентированного кубического кристалла и керамики.
-
Расчет степени оптической изоляции, обеспечиваемой изолятором Фарадея в детекторе гравитационных волн LIGO в нестационарных переходных режимах.
-
Создание и апробация программного кода для расчета нестационарных поляризационных и фазовых искажений излучения в оптическом элементе цилиндрической формы из произвольно ориентированного кубического монокристалла или поликристалла (керамики). Экспериментальные исследования преследовали следующие цели:
-
Разработка и апробация метода активной компенсации тепловой линзы при помощи дополнительного нагрева подвижным пучком CO2 лазера.
-
Интерферометрическое исследование тепловой линзы в лазерной керамике, исследование мелкомасштабных неоднородностей искажения фазы и его статистических характеристик
-
Разработка оригинального метода измерения распределения интенсивности ИК и СВЧ излучения по оптическим искажениям в тестовом оптическом элементе.
-
Экспериментальная проверка адекватности теоретической модели и созданного кода.
Все задачи работы тесно связаны друг с другом, и их разделение на теоретические и экспериментальные во многом довольно условно, что также хорошо видно из структуры диссертации.
Положения, выносимые на защиту:
1. В лазерной керамике (в отличие от монокристалла) существует эффект мелкомасштабной пространственной модуляции термонаведенных фазовых искажений. Пространственный масштаб этой модуляции близок к характерному размеру зерен керамики, а среднеквадратичное отклонение фазы линейно зависит от мощности греющего излучения.
-
-
-
Задача о нахождении искажения фазы и поляризации излучения в цилиндрическом оптическом элементе из произвольно ориентированного кубического кристалла или соответствующей керамики допускает удобные с прикладной точки зрения аналитические решения в приближениях тонкого диска и слабого теплообмена.
-
Разработанный метод активной тепловой компенсации фазовых искажений при помощи дополнительного нагрева оптического элемента подвижным лазерным пучком позволяет снизить как фазовые искажения, так и термонаведенную деполяризацию излучения более чем на порядок величины.
-
Степень оптической изоляции задающего генератора лазерного детектора гравитационных волн LIGO достаточна для нормальной работы детектора во всех переходных режимах как при существующей мощности излучения, так и после ее планируемого увеличения до 125 Вт на входе в интерферометр LIGO и до 800 кВт внутри интерферометра.
-
Предложенный и реализованный метод измерения профиля интенсивности излучения по наведенным фазовым искажениям в прозрачном оптическом элементе позволяет получить точность не хуже 5 % и пространственное разрешение 1 мм.
-
Разработан оригинальный программный код для расчета термонаведен- ных искажений фазы и поляризации лазерного излучения в цилиндрическом оптическом элементе из произвольно ориентированного кубического кристалла или керамики.
Апробация работы
Материалы диссертации докладывались на международных конференциях: XII Conference on Laser Optics, St. Petersburg: 2006, Advanced Solid-State Photonics Vienna, Austria: 2005; GRLS-2008, Lubek, Germany: 2008; International Conference on Coherent and Nonlinear Optics / International Conference on Lasers, Applications, and Technologies Minsk, Belarus: 2007; Frontiers of Nonlinear Physics, Nizhny Novgorod - Saratov - Nizhny Novgorod, 2007; Laser Optics 2008, St.Petersburg, Russia; XII Conference on Laser Optics, St. Petersburg: 2006; Advanced Solid-State Photonics, Nara-Ken New Pablic Hall, Nara, Japan: 2008; International Conference on Coherent and Nonlinear Optics 2005; Conference on Lasers and Electro-Optics San Francisco, CA: OSA Trends in Optics and Photonics (Optical Society of America, Washington, D. C.), 2004; XIV научная школа "Нелинейные волны-2008", Нижегородская обл., "Автомобилист": 2008; Результаты также представлены на семинарах ИПФ РАН, опубликованы в 7 статьях в реферируемых тематических журналах, а также в многочисленных сборниках трудов конференций.
Личный вклад соискателя
Экспериментальные и теоретические работы, составляющие диссертацию, выполнены в авторских коллективах. В диссертации подробно излагаются только те результаты, вклад автора в которые был существенным на всех стадиях, включая постановку задачи, проведение эксперимента, выполнение расчетов, обработку и интерпретацию полученных данных. Незначительные исключения относятся лишь к Главе I и составляют оконечные аналитические формулы для дисперсии искажения фазы и рассмотрение случая длинного цилиндра, которые были добавлены в диссертацию для полноты картины аналитического описания фазовых искажений.
Новизна и достоверность предложенных методов и решений,
практическая и научная значимость
Основой всей работы является нестационарный расчет связки температура - деформации и вызываемых ими аберраций в оптических элементах, реализованный при помощи оригинального компьютерного кода и аналитических формул, полученных автором в некоторых приближениях.
Численный анализ фазовых и поляризационных искажений в оптической керамике с учетом зависимости температуры и термонаведенных деформаций от продольной координаты выполнен впервые.
В аналитическом рассмотрении фазовых искажений в случае тонкого диска впервые была учтена зависимость деформации от z-координаты. Приближение слабого теплообмена рассмотрено впервые. Отметим, что аналитические выражения для искажения фазы в керамике и произвольно ориентированном кубическом кристалле для цилиндрического элемента с произвольным соотношением длины образующей и радиуса неизвестны.
Лабораторные исследования специфических фазовых неоднородностей тепловой линзы в лазерной керамике, представленные в Главе II диссертации, ранее никем не проводились.
Идея метода активной тепловой компенсации фазовых искажений, представленного в Главе II, сама по себе не является оригинальной, поскольку встречается и ранее, например, в [44]. Однако экспериментальная апробация метода была проведена впервые.
Детальное рассмотрение оптической изоляции в переходных режимах детектора LIGO, представленное в Главе III, проведено впервые. Рассмотрение функционирования изолятора Фарадея в случае тепловыделения зависящего от времени ранее не производилось.
Представленный в Главе III диссертации интерференционный метод измерения профиля теплового излучения по термонаведенным аберрациям в тестовом элементе является полностью оригинальным. Неоспоримым преимуществом метода по сравнению с существующими аналогами является относительная дешевизна, доступность технологий и возможность легкого масштабирования на большие апертуры (> 10 см) без использования дорогостоящей ИК-оптики.
Объём и структура диссертации
Диссертация состоит из введения, трех взаимосвязанных глав и заключения. Общий объем диссертации составляет 115 страниц; список литературы насчитывает 120 позиций.
Похожие диссертации на Особенности тепловой линзы и деполяризации в цилиндрических оптических элементах с произвольным аспектным соотношением
-
-
-
