Достижение предельной направленности и повышение мощности излучения высокоэнергетичных лазеров на Nd-стекле, распространение лазерных пучков на протяженных и экстремально-турбулентных трассах

• Автор: Сиразетдинов, Владимир Сабитович
• Шифр специальности: 01.04.05
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2007
• Место защиты: Сосновый Бор
• Количество страниц: 294 с. : ил.

Оглавление

Введение
Глава 1. Повышение направленности и мощности излучения лазеров методами ОВФ и компрессии импульсов при ВРМБ, измерение нелинейных характеристик оптических сред, распространение пучков на турбулентных трассах
1.1. Обращение волнового фронта излучения при вынужденном рассеянии Манделынтама-Бри ллюэна

1.2. Применение ОВФ излучения в лазерных системах на Ш-стекле

1.3. Повышение мощности излучения методом компрессии импульсов при ВРМБ

1.4. Измерение характеристик оптических материалов, ограничивающих

мощность и энергию излучения лазеров на стекле

1.5. Направленная передача энергии с применением ОВФ

1 .б.Лазерные пучки в турбулентной среде

1.7. Выводы
Глава 2. Достижение предельной направленности и повышение мощности
излучения многокаскадных лазерных систем на Ш-стекле с применением ВРМБ
2.1. Оптическая схема высокоэнергетической лазерной системы с ОВФ излучения
2.2. Методики регистрации параметров излучения и результаты первого
этапа исследований лазерной системы
2.3.Исследование ОВФ зеркал типа ВРМБ генератор - ВРМБ усилитель
2.4.Коррекция астигматических искажений лазерных пучков ВРМБ зеркалами
2.5. Многокаскадный лазер на Ш-стекле с дифракционной угловой
расходимостью излучения
2.6.Повышение мощности излучения многокаскадного лазера на Ш-стекле
методом временной компрессии импульсов при ВРМБ в сжатых газах
2.7. Выводы
Глава 3. Измерение характеристик оптических материалов, ограничивающих
мощность и энергию излучения лазеров на Ш-стекле
3.1. Лазерная установка для измерений нелинейных характеристик стекол
3.2. Измерение коэффициента нелинейности показателя преломления стекол
3.3 Исследование характеристик, определяющих условия возбуждения ВРМБ
излучения в стеклах
3.3.1 Метод и результаты измерений удельного коэффициента усиления при
ВРМБ излучения

3.3.2. Сдвиг частоты при ВРМБ излучения в стекле КГСС 0180, оценка
времени релаксации гиперзвука в стеклах
3.4. Лучевая прочность поверхности лазерных стекол
3.4.1. “Экспресс”-метод измерений лучевой прочности поверхности элементов
3.4.2. Лучевая прочность стекла КГСС 0180 в различных условиях облучения
3.5. Оценка допустимых лучевых нагрузок на активные элементы
усилительного модуля из стекла КГСС 0180
3.6. Контроль концентрации микровключений платины в стекле КГСС 0180
3.7. Выводы
Г лава 4. Физическое моделирование направленной транспортировки
лазерного излучения
4.1. Физическое моделирование протяженных оптических трасс
4.2. Исследования эффективности передачи энергии лазерного излучения
методом ОВФ
4.3 Фокусировка обращенного пучка через искажающий слой на трассе
4.4. Исследование пространственных характеристик лазерного излучения, возмущенного турбулентным потоком на искусственной трассе
4.5. Выводы
Глава 5. Распространение лазерных пучков в турбулентной струе авиадвигателя
5.1 .Постановка исследований
5.2. Методология натурных экспериментальных исследований
5.3. Результаты натурных экспериментов
5.4. Математическая модель распространения лазерных пучков в турбулентной
струе авиадвигателя
5.5. Верификация численной модели распространения лазерных пучков
в струе авиадвигателя
5.6.Условия применения численной модели, оценки энергетических
характеристик возмущенных лазерных пучков различных длин волн
5.7. Выводы
Заключение
Список литературы
Приложение 1. Формирование частично-когерентных статистически неизотропных
пучков света в неоднородно усиливающей среде
Введение
Актуальность
Важнейшие характеристики лазерного излучения, от которых решающим образом зависит эффективность применения лазеров во многих прикладных задачах, - это угловая расходимость, энергия и мощность излучения. В совокупности эти характеристики определяют степень достижимой концентрации энергии лазерного излучения на облучаемых объектах, точность получаемой информации об их пространственных характеристиках или возможности транспортировки энергии на большие дистанции с минимальными потерями.
На практике не составляет больших трудностей сформировать на выходе лазера маломощный пучок с предельно высокой, т.е. дифракционной направленностью, используя, например, хорошо известные методы угловой селекции излучения. Однако уже на трассе распространения, содержащей ту или иную реальную среду или оптические элементы, такой пучок начинает приобретать искажения, приводящие к увеличению его расходимости, снижению пространственной когерентности и яркости. Еще больше проблем, возникает при решении задачи повышения уровня энергии и мощности излучения с сохранением его дифракционной направленности [1]. Падение качества мощного пучка происходит уже не только на трассе распространения, но и в оптическом тракте самой лазерной системы вследствие несовершенства оптических элементов и развития эффектов самовоздействия излучения. Это и определяет неиссякаемый интерес исследователей и разработчиков систем к поиску оптимальных методов формирования пучков, прогнозирования изменений пространственной структуры и выявления факторов, ухудшающих энергетические характеристики излучения. Фактически, это направление исследований родилось одновременно с созданием первого лазера. Однако актуальность и значение его со временем лишь возрастает вместе с энергетическими возможностями лазерных систем и масштабами их практических приложений, среди которых, например, лазерный термоядерный синтез, дальняя светолокация, навигационные системы, передача информации, многочисленные специальные применения.
Настоящая работа сконцентрирована на рассмотрении круга оптических явлений и проблем, возникающих при решении практической задачи формирования высокоинтенсивных лазерных пучков и доставки энергии излучения на удаленные объекты. В их числе - исследование возможностей достижения дифракционной направленности пучков высокоэнергетических лазеров на стекле и повышения их мощности с применением вынужденного рассеяния излучения, выявление и измерение критических характеристик активной среды, ограничивающих энергию и мощность таких лазеров, исследование

g по экспериментальным данным. Еще один недостаток известных методов - осуществление расчетов коэффициента усиления в предположении о равномерном распределении интенсивности излучения пучков. Однако контроль выполнения этого условия в момент проведения эксперимента практически не осуществляется. Это также является источником ошибок измерений, поскольку при формировании в ВРМБ генераторе подлежащего усилению стоксова пучка пространственная структура последнего, как правило, испытывает некоторые случайные изменения при переходе от одного лазерного импульса к другому, т.е. распределение интенсивности может обладать неконтролируемой степенью неравномерности.
В связи с этим было решено разработать метод определения значений удельного коэффициента усиления по экспериментальным данным, полученным в условиях насыщения усиления и с учетом неоднородности распределения интенсивности взаимодействующих пучков. Такой метод позволил бы расширить диапазон измеряемых значений полного усиления сигнала в поле мощной встречной накачки, увеличить допустимые уровни интенсивности стоксова излучения на входе в исследуемый образец, учесть насыщение усиления и, как следствие, повысить статистическую устойчивость и точность получаемых результатов.
Важньм фактором, ограничивающим энергию и мощность излучения лазерных систем на Ш-стекле, является лучевая прочность активных элементов. Если в лазерном стекле присутствуют микровключения металлической платины -включения), попадающие в его объем со стенок платинового тигля, то они становятся главным фактором, определяющим энергетический порог разрушения активного элемента. ГЙ-включения имеющие типичные размеры 1-10 мкм, взрываются под действием излучения наносекундной длительности уже при плотности энергии 2-5 Дж/см2 и раскалывают прилегающий к ним объем стекла, образуя локализованные зоны разрушений значительно большего размера. Разрушения имеют характерный вид ядра, окруженного плоским кольцевым расколом в плоскости преимущественно ориентированной ортогонально оси лазерного пучка. Такой вид разрушения исследователи [106] связывают с моделью процесса разрушения, согласно которой испаренный слой поверхности частицы, обращенной к излучению, порождает в объеме частицы ударную волну, которая сначала сплющивает частицу, что приводит к плоскому расколу, а затем растягивает ее, производя разрушения впереди и сзади частицы. Были выяснены основные особенности разрушения стекла [106-108] РТвключениями:
- энергетический порог (в Дж/см2) возникновения разрушений и его зависимость от длительности импульса облучения т (в наносекундах) определяются соотношением: £ПОр = 2.2-т0'3 [109];