Разработка и исследование адаптивных биморфных зеркал для управления излучением промышленных CO2 и мощных фемтосекундных лазеров

• Автор: Самаркин, Вадим Васильевич
• Шифр специальности: 05.27.03
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2002
• Место защиты: Шатура
• Количество страниц: 159 с. : ил

Содержание
Введение

Глава 1. Управляемый корректор на основе биморфного иьезоэлемента

1.1. Методы и устройства управления излучением лазеров обзор

1.1.1. Требования к корректорам волнового фронта

1.1.2. Типы корректоров волнового фронта

1.1.2.1. Зеркала с локальной функцией отклика

1.1.2.2. Корректоры с модальной функцией отклика.

1.1.3. Гибкие зеркала на основе биморфного пьезоэлемента

1.2.Принцип действия и оптимизация биморфных зеркал.

1.2.1. Уравнение деформации многослойного биморфного зеркала

1.2.2. Оценка деформации поверхности биморфного зеркала.
1.2.3. Максимизация чувствительности деформации.
1.2.4. Температурная зависимость кривизны поверхности.
1.2.5. Резонансная частота зеркала
1.2.6. Функции отклика электродов.
1.3. Экспериментальное исследование управляемых гибких зеркал.
1.3.1. Разработка и изготовление экспериментальных биморфных зеркал
1.3.2. Исследование характеристик биморфных корректоров.
1.3.3. Зеркало с пьезокерамической подложкой
1.3.4. Охлаждаемое биморфное зеркало для мощных СО2 лазеров.
1.3.5. Сферическое биморфное зеркало
1.3.6. Грибовидное биморфное зеркало
1.3.7. Зеркала для мощных фемтосекундных лазеров
1.3.1. Корректор и генератор аберраций проходящего излучения.
Адаптивная линза
Глава 2. Формирование и управление излучением промышленных СО2 лазеров с помощью гибких зеркал
2.1. Основные источники аберраций излучения технологических С лазеров.
2.2. Внутрирезонаторная коррекция и формирование излучения обзор
2.3. Режим квазимодуляции добротности в С лазере.
2.3.1. Промышленный СО2 лазер ТЛ5 с поперечной прокачкой и с неустойчивым резонатором
2.3.2. Экспериментальное исследование излучения лазера с
внутрирезонаторным охлаждаемым биморфным зеркалом
2.4. Формирование заданных распределений интенсивности.
2.4.1. СС2 лазер с быстрой аксиальной прокачкой
2.4.2. Формирование супергауссовых ТЕМ мод при помощи биморфного зеркала
2.4.3. Результаты численного анализа с учетом усиления активной среды для конкретных параметров лазерного резонатора
2.4.4. Результаты эксперимента
Глава 3. Формирование и коррекция излучения мощных фемтосекундных
импульснопериодических лазеров.
3.1. Адаптивная оптика для титанхапфировых лазеров обзор
3.1.1. Титаиханфировые лазеры их свойства и применение
3.1.2. Коррекция волнового фронта излучения
3.1.3. Формирование импульсов излучения
3.2. Коррекция излучения мощного титанхапфирового лазера
3.2.1. Лазерный комплекс АТЛАС на основе титанхапфирового лазера параметры, особенности и недостатки.
3.2.2. Исследование аберраций и динамики флуктуаций аберраций волнового фронта излучения
3.2.3. Формирование распределения интенсивности с помощью биморфного зеркала
3.2.4. Коррекция волнового фронта излучения
3.3. Адаптивная оптическая система для оптимизации фокусировки излучения на основе эволюционного генетического алгоритма.
Заключение
Список литературы


Возможно именно этим и объясняется повышенный интерес и появление нескольких обзоров литературы, посвященных корректорам волнового фронта 9-]. Одним из основных требований к таким корректорам является возможность компенсации максимального количества аберраций минимальным числом управляющих приводов. Поэтому главной характеристикой любого адаптивного зеркала является функция отклика его приводов. Под функцией отклика обычно понимается деформация поверхности корректора, вызванная воздействием одного привода при нулевых управляющих сигналах на остальных приводах []. При этом в большинстве случаев предполагается, что общий изгиб поверхности представляет собой суперпозицию деформаций, инициируемых каждым приводом. Тоже обычно считается, что функции отклика обладают сравнительно низкочастотным пространственным спектром. Поэтому при компенсации адаптивным зеркалом фазы световой волны происходит подавление низких частот пространственного спектра []. В качестве критерия коррекции фазовых искажений в адаптивной оптике принято число Штреля [], которое представляет отношение интенсивности в точке параксиального изображения при наличии искажений к интенсивности в той же точке в отсутствие искажений. Штреля превышает 0,8. Еще одной характеристикой корректоров волнового фронта является амплитуда перемещения зеркальной поверхности w. В зависимости от задачи амплитуда деформации зеркала w должна равняться 1- мкм. Так, для компенсации тепловых искажений зеркал резонатора СО2 лазера w может достигать порядка одной длины волны л (>. Адаптивная система эффективно функционирует если ее быстродействие достаточно, чтобы компенсировать фазовые флуктуации, возникающие в процессе распространения оптического излучения. Поэтому еще одной характеристикой адаптивного зеркала является быстродействие приводов, деформирующих поверхность корректора. Частотный диапазон медленных тепловых искажений, связанных с прогревом оптических элементов лазерных резонаторов и с изменением показателя преломления лазерных сред, лежит в районе 1 - 2 Гц. Одновременно существует и задача коррекции турбулентности, возникающей при распространении мучка технологического лазера от выходного зеркала до поверхности обрабатываемой детали. Статистика турбулентности в этом случае близка к атмосферной, поэтому справедливы и оценки по требуемому быстродействию адаптивной системы, которые были проведены для атмосферных адаптивных систем []. Для устойчивой работы адаптивной системы необходимо чтобы частота первого механического резонанса корректора была на порядок выше []. Поэтому в задачах компенсации турбулентных искажений требуется высокое быстродействие адаптивных зеркал. Корректоры волнового фронта должны быть также просты в изготовлении и юстировке. Это требование накладывает определенные ограничения на конструкцию адаптивных зеркал. И, естественно, для применения в задачах лазерной технологии корректоры должны обладать значительной лучевой стойкостью. Плотность мощности внутри резонатора современного технологического лазера может достигать 5- кВт/см2. Поэтому необходимо предусмотреть возможность охлаждения конструкций зеркал, а также применения термостойких материалов. По функциям отклика все существующие типы корректоров можно разделить на две большие группы: зеркала с локальной функцией отклика и зеркала с модальной функцией отклика. К первой группе согласно конструктивным особенностям относятся секционированные, мембранные, пластины с локальной функцией отклика приводов, корректоры на основе электрически управляемых жидкокристаллических транспарантов. Ко второй-пластины с приводами, пленочные, биморфпые зеркала. Рассмотрим основные группы корректоров более подробно. Зеркала с локальной функцией отклика. Секционированные корректоры. Секционированные адаптивные зеркала состоят из нескольких подвижных зеркальных секций, которые в зависимости от конструкции могут либо смещаться в направлении, перпендикулярном поверхности (рис. Второй тип корректоров позволяет более точно осуществлять управление волновым фронтом и достигать значительного эффекта при меньшем числе секции. Рис.