Формирование заданных распределений световых полей в резонаторах технологических лазеров с помощью гибких управляемых зеркал тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.21 ВАК РФ

МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ЛЕНИНА, ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ имени М.В. ЛОМОНОСОВА

ФИЗИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ

ФОРМИРОВАНИЕ ЗАДАННЫХ РАСПРЕДЕЛЕНИЙ СВЕТОВЫХ ПОЛЕЙ В РЕЗОНАТОРАХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ЛАЗЕРОВ С ПОМОЩЬЮ ГИБКИХ УПРАВЛЯЕМЫХ ЗЕРКАЛ

Специальность 01.04.21 - лазерная физика

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научные руководители: кандидат физико-математических наук

доцент Капцов Леонид Николаевич, кандидат физико-математических наук доцент Чесноков Сергей Сергеевич

На правах рукописи

ЧЕРЕЗОВА ТАТЬЯНА ЮРЬЕВНА

Москва - 1999

Содержание...........................................................................................1

Введение...............................................................................................4

Глава I. Проблема формирования заданных распределений интенсивности

излучения в лазерной физике и технологии (обзор литературы).................13

§1.1. Внерезонаторные способы управления лазерным излучением и

коррекции его аберраций...............................................................13

§1.2. Внутрирезонаторные способы управления и коррекции лазерного излучения....................................................................................19

1.2.1. Пассивные методы......................................................19

1.2.2. Активные методы.......................................................22

1.2.2.1. Методы нелинейной адаптивной оптики..................23

1.2.2.2. Методы линейной адаптивной оптики.....................24

1.2.2.2.а. Управление параметрами излучения СО2

лазера....................................................................24

1.2.2.2.6. Формирование излучения лазера на парах

меди......................................................................27

1.2.2.2.в. Формирование излучения эксимерного

лазера....................................................................30

1.2.2.2.г. Управление параметрами излучения твердотельного лазера.............................................32

Глава И. Методика формирования заданного распределения интенсивности

низшей поперечной моды резонатора.......................................................34

§2.1. Формирование заданного распределения интенсивности излучения на выходном зеркале.....................................................34

§2.2. Формирование заданного распределения интенсивности внутри

резонатора...................................................................................38

§2.3. Влияние термодеформации зеркал на пространственную структуру излучения. Компенсация фазовых искажений, вызванных

термодеформацией.......................................................................39

§2.4. Гибкое биморфное зеркало..................... ..............................47

2.4.1. Принцип действия и конструкция................................48

2.4.2. Функции отклика.......................................................52

Глава III. Формирование заданного распределения интенсивности излучения в устойчивом резонаторе СО2 лазера.......................................................55

§3.1. Формирование супергауссового распределения интенсивности на выходном зеркале резонатора........................................................55

3.1.1. Теоретический анализ.................................................55

3.1.2. Экспериментальное формирование супергауссового

распределения интенсивности...............................................68

3.1.2.1. Непрерывный СО2 лазер с аксиальной прокачкой................................................................68

3.1.2.2. Описание экспериментальной установки...........73

3.1.2.3. Результаты численного анализа с учетом усиления активной среды для конкретных параметров лазерного резонатора.................................................................75

3.1.2.4. Результаты эксперимента................................79

§3.2. Формирование ТЕМ00 моды с кольцеобразным распределением интенсивности на выходном зеркале резонатора...............................87

§3.3. Формирование заданного распределения интенсивности внутри

резонатора...................................................................................93

§3.4. Оценка влияния термодеформаций зеркал резонатора на форму гауссовой и супергауссовой мод.....................................................96

3.4.1. Медное зеркало.........................................................96

3.4.2. Зеркало из селенида цинка.........................................99

Глава IV. Формирование заданного распределения интенсивности излучения в устойчивом телескопическом резонаторе YAG:Nd3+ лазера.....................104

§4.1. Особенности резонатора твердотельного лазера с

широкоапертурным зеркалом........................................................105

§4.2. Формирование заданного распределения интенсивности низшей

поперечной моды на выходном зеркале резонатора.........................115

§4.3. Влияние термодеформации выходного зеркала на форму гауссовой и супергассовой мод. Компенсация фазовых искажений, вызванных термодеформацией....................................................118

4.3.1. Экспериментальное исследование термодеформаций.....118

4.3.2. Теоретический расчет................................................129

Выводы..............................................................................................138

Список литературы................................. .............................................140

Введение

Актуальность темы. Широкое использование лазеров в современных промышленных технологиях, биологии, медицине, в локационных, информационных, навигационных системах, то есть в различных областях науки и техники, требует оптимизации параметров лазерных установок для каждой конкретной задачи. Так, например, при использовании СО2 лазеров в процессе резки металла необходимо добиться возможно более "острой" фокусировки светового пучка на поверхности металла [1-2]. В процессе термической обработки металлов (закалки) основное требование, предъявляемое к излучению, состоит в равномерном распределении интенсивности по сечению пучка. В этом случае упрочненные зоны металла имеют однородную структуру [1]. Для решения упомянутых и ряда других задач оптимальным является использование супергауссового распределения интенсивности ТЕМ00 моды. Эта мода обеспечивает более однородное распределение энергии поля в ближней зоне и более "острую" форму распределения интенсивности в дальней зоне по сравнению с гауссовой ТЕМоо модой. Более того, супергауссовая мода имеет больший размер дифракционной перетяжки и более быстрое спадание интенсивности к краям зеркала по сравнению с гауссовым профилем ТЕМоо моды. Это обеспечивает больший съем инверсии населенности активной среды и уменьшение дифракционных потерь, а следовательно, возрастание объема генерируемой моды. Поэтому формирование такого распределения интенсивности излучения представляет во многих случаях большой практический интерес.

При решении некоторых других современных задач лазерной физики и нелинейной оптики возникает необходимость формирования профилей пучка, отличных от супергауссового. Так, например, при транспортировке мощного светового излучения на протяженных атмосферных трассах энергетически более выгодными являются кольцевые пучки [3-4]. Подобные пучки оказываются также близкими к оптимальным при операциях на роговице глаза [1] и в ряде задач лазерной химии [5]. Поэтому разработка лазерных установок, содержащих "интеллектуальные" компоненты и позволяющих наиболее просто перестраивать параметры излучения, является актуальной задачей.

Как известно, формирование заданного распределения интенсивности поля основной моды может быть осуществлено с помощью внутрирезонаторных зеркал с проградуированным коэффициентом отражения [6-13] или профилем поверхности [14-19]. Применение зеркал с проградуированным коэффициентом отражения возможно только в лазерах с большим коэффициентом усиления активной среды, так как такие зеркала вносят значительные дополнительные потери. Экспериментальные результаты по использованию зеркал с проградуированным профилем поверхности в устойчивых непрерывных СО2 лазерах для формирования заданной формы распределения интенсивности ТЕМдо моды показали возможность увеличения объема низшей моды по сравнению с гауссовой модой полуконфокального резонатора [14,15,19].

Однако, зеркала с проградуированным профилем поверхности можно эффективно использовать только для тех конкретных приложений, для которых они были разработаны: изменение параметров резонатора приводит

к необходимости расчета и изготовления нового уникального зеркала. В то же время, в лазерной физике в настоящее время все шире применяются гибкие управляемые зеркала, первоначально разработанные для адаптивных оптических систем. Используя такие зеркала, можно формировать множество заданных распределений интенсивности лазерного излучения. Более того, с их помощью возможна компенсация различных нежелательных фазовых искажений, вызванных, например, термодеформациями зеркал резонатора или аберрациями активной среды. Как известно, такие фазовые искажения зачастую препятствуют формированию заданного распределения интенсивности лазерного излучения. В свою очередь рассчитать фазовые искажения априорно не всегда удается, так как некоторые из них зависят, например, от мощности накачки, неоднородности активной среды и т.д. Поэтому наиболее универсальным средством внутрирезонаторной коррекции лазерного излучения представляется использование управляемых гибких зеркал [20-24].

Одной из ключевых проблем, возникающих при использовании в оптической системе гибких корректоров, является разработка надежных алгоритмов управления, устойчивость и сходимость которых в значительной мере определяет эффективность системы в целом. Необходимо отметить, что в настоящее время неизвестны регулярные алгоритмы управления гибкими зеркалами в задачах внутрирезонаторного формирования заданного распределения интенсивности лазерного излучения. Опубликованы лишь работы, в которых определение управляющих напряжений, подаваемых на приводы зеркала, осуществлялось вручную, методом проб и ошибок [23-24]. Поэтому развитие и обоснование замкнутой универсальной процедуры

управления зеркалом для формирования в резонаторах лазеров заданных распределений интенсивности представляет собой важную задачу.

Целями диссертационной работы являются

1. разработка методики управления внутрирезонаторным гибким зеркалом для формирования заданного распределения интенсивности излучения в лазерных резонаторах,

«Ч о «_»

2. определение предельных возможностей предлагаемой методики на численной модели и в лабораторном эксперименте,

3. оптимизация параметров резонатора, обеспечивающих наилучшую воспроизводимость заданной формы распределения интенсивности,

4. изучение влияния термодеформаций зеркал резонатора на искажение формы распределения интенсивности заданной моды и анализ возможностей их компенсации гибким зеркалом.

Научная новизна результатов. В настоящей работе впервые

построена замкнутая вычислительная процедура, позволяющая определить форму прогиба гибкого внутрирезонаторного зеркала, при которой как в ближнем поле, так и внутри лазерного резонатора формируется наперед заданное распределение интенсивности светового поля. При известных функциях отклика конкретного зеркала, задаваемых в памяти компьютера в виде табличных значений в узлах сетки, предлагаемая методика дает возможность рассчитать напряжения, которые необходимо подать на приводы зеркала для достижения требуемого распределения интенсивности.

На численной модели показана возможность формирования в лазерных резонаторах низших поперечных мод с супергауссовыми и кольцевыми распределениями интенсивности.

На лабораторном макете, включающем технологический СО2 лазер ТЛА-600 с расширителем пучка и гибким биморфным зеркалом, управляемым в соответствии с развитой в работе методикой, осуществлена генерация низших поперечных мод с супергауссовыми распределениями интенсивности в ближнем поле.

Практическая ценность работы. Применение развитой методики позволяет прогнозировать воспроизводимость заданного пользователем распределения интенсивности излучения низшей поперечной моды лазерного резонатора с помощью конкретного образца гибкого зеркала, а также дать априорную оценку возникающих при этом погрешностей.

Разработанная процедура оптимизации резонатора и гибкого зеркала позволяет дать рекомендации при выборе их параметров с целью наилучшей воспроизводимости заданного распределения интенсивности. К числу оптимизируемых параметров относятся числа Френеля резонатора и радиусы секционирования электродов зеркала.

Развитый алгоритм управления гибким зеркалом позволяет оценить предельные возможности компенсации искажений профиля интенсивности, вызванного термическими деформациями зеркал резонатора, в зависимости от образца используемого зеркала, вида заданного распределения интенсивности и конструктивных особенностей резонатора.

Защищаемые положения.

1. Разработанная методика формирования заданного распределения интенсивности ТЕМоо моды внутрирезонаторным гибким управляемым зеркалом позволяет получить в ближнем поле и внутри устойчивого резонатора лазера супергауссовые формы распределений интенсивности 4-го, б-го, 8-го порядков. Для конкретных параметров резонатора СО2 лазера: чисел Френеля N1=0.6, N2=6.5 и параметра устойчивости 0=0.5, выигрыш по сравнению с гауссовой формой распределения интенсивности низшей поперечной моды составляет: по объему моды на 7-10%, по дифракционным потерям в 1.3-1.7 раза, по значению пиковой интенсивности в дальнем поле в 1.5-1.6 раза. Для параметров телескопического резонатора УАО:ШЗ+ лазера: N1=0.34, N2=12.3, 0=0.5 выигрыш по сравнению с гауссовой ТЕМ00 модой составляет: по объему моды в 2.2 раза, по дифракционным потерям в 1.2 раза по значению пиковой интенсивности в дальнем поле в 2.2 раза.

2. Предложенная методика позволяет сформировать распределения интенсивности низшей поперечной моды, имеющие форму кольца в ближнем поле и гауссоподобную форму в дальнем поле. Для конкретных параметров резонатора: N1=1, N2=4.7, С=0.5 выигрыш по сравнению с гауссовой формой распределения интенсивности составляет: по дифракционным потерям в 1.8 раза, по объему моды в 1.2 раза, по значению пиковой интенсивности в дальнем поле в 1.2 раза.

3. Развитая в работе процедура оптимизации параметров лазерного резонатора позволяет улучшить воспроизведение заданного профиля интенсивности управляемым гибким зеркалом и повысить модовую селективность по поперечным индексам. В частности, для параметров резонатора: Ni=l, N2=6.8, G=0.5 дифракционные потери высших поперечных мод возрастают на порядок, а потери супергауссовой моды восьмого порядка снижаются в 3 раза.

Апробация результатов работы. Основные результаты работы докладывались на конференциях: "Education in Optics", Санкт-Петербург, (1991); "Оптика лазеров", Санкт-Петербург, (1993); "Лазерные технологии", Шатура (1993); 16th Congress of the International Commission for Optics (ICO-16), Будапешт, Венгрия, (1993); "High power lasers and laser application", Вена, (1994); 17th Congress of the International Commission for Optics (ICO-17), Taejon, Корея, (1996); CLEO/EUROPE'96, Гамбург, Германия, (1996); "Laser Resonators", Сан-Хосе, США, (1998); "Оптика лазеров", Санкт-Петербург, (1998); "Лазерные технологии'98" (ILLA 1998), Шатура, (1998); CLEO/EUROPE'98, Глазго, Великобритания, (1998); "Laser Resonators И", Сан-Хосе, США, (1999). Кроме того, результаты работы докладывались на научных семинарах: в университете г.Лаваля (Квебек, Канада) 1996, в Национальном Оптическом институте (Квебек, Канада) 1996, на кафедре общей физики и волновых процессов физического факультета МГУ, 1998.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 17 работ (из них 7 - тезисы докладов).

Структура и объём диссертации. Диссертация изложена на 154 страницах. Она состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 123 наименований, содержит 72 рисунка, 11 таблиц.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

В первой главе приведен обзор литературы по теме исследования. Дана классификация как внерезонаторных, так и внутрирезонаторных способов формирования заданного распределения интенсивности лазерного излучения и коррекции нежелательных аберраций, возникающих при прохождении пучка.

Вторая глава посвящена методике формирования заданного распределения интенсивности излучения лазера как на выходном зеркале, так и внутри резонатора с помощью гибкого корректора. В этой главе также описывается методика решения самосогласованной задачи о влиянии термодеформаций зеркал резонатора на пространственную структуру излучения. Развивается методика компенсации искажений формируемого излучения, вызванных термодеформациями, с помощью внутрирезонаторного гибкого корректора. В качестве такого корректора в диссертации используется полупассивное гибкое биморфное зеркало [20-24]. В данной главе описана его конструкция, процедура изготовления и основные особенности.

Глава III посвящена исследованию формирования заданного распределения интенсивности в устойчивом резонаторе СО2 лазера. Обсуждаются как численные, так и экспериментальные результаты по формированию в ближнем поле резонатора СО2 лазера супергауссовых форм

распределения интенсивности с помощью полупассивного биморфного корректора. Приводятся результаты численного расчета по формированию распределений интенсивности ТЕМ00 мод, имеющих форму кольца в ближнем поле и гауссоподобн