Использование методов численного моделирования для анализа свойств неустойчивых резонаторов импульсных электроионизационных CO2 лазеров тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.05 ВАК РФ

ВНЦ "Государственный ордена Ленина и ордена Октябрьской Революции оптический институт имени С.И. Вавилова"

На правах рукописи

Родионов Андрей Юрьевич

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МЕТОДОВ ЧИСЛЕННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ДЛЯ АНАЛИЗА СВОЙСТВ НЕУСТОЙЧИВЫХ ГБЗОНМОРОВ ИМПУЛЬСНЫХ ЭЛЕКЛТ0ШШЗА1Ш0НШХ

СО., ЛАЗЕРОВ

01.04.05 - оптика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Ленинград 199Т

I'-JOi/r;) ÜblHuJlUOHa в Госуд-^ственном оптическом институте имони О.И.Вавилова

II I J 'I II Ы V.

¡I У К (J В О Д И 'Г О Л Ь K-.ШДИДаТ физики M ! I ОМ.i 1 ИЧОСКИХ Л ■;) yit,

старшин научный сотрудник В Jí.lllopCTtíúlITuB

О Ф И II, И 'j ..'I 1. II ы i:

о 11 II О H и 11 Т Ы ДЛСТОр ф4Г,<11Ки-M )|ОМ-ГШЧСК:К1ДХ наук,

профоссир В. I I. КаПДИДОВ кандидат "физики-митематических наук. В.Ф.Шанскии

Всдушан организации. IIIÍO "Лстрифизика"

.'ИЩИТ'-i (ЛКТОИТСН ^J^ttcfé^ . ..1УУ1 Г. В "^J* ч.чс.

на заседании специализированного совоча К IOb.Oi.Ul Ь ill 1Ц "Государственный 01ГГИЧОСКИИ ИНСТШ'У!' ИШ11И С.И.ВаВИЛОВа' (1ШШ4, г.Лонинград, ВИД "ГОИ")

О ДИССОрЧ'аЦШЙ МОЖНО ознакомиться В ОИПЛИоТОКО, ИШПШуТЭ.

ЛВТОрСфграТ раЗОСЛаН

.. íy S1/г.

Учении сокрсп'арь специализированного совета

кандидат физ.-мат. наук H.H. Aop.iMuita

(0)Ы1Д "ГОСуД.фСТЬеННиИ I. ШТИЧОСКИИ институт им. С. И. Вавилов.!", ÍU'Ji

овшля характеристика раготн

Актуальность .'ГРМЫ. К ОДНОЙ из основных задач современной ла-^•рной техники относи!ся зядччл получения высоконаправлошшх мощных лазерных пучков. Разработка теории незаполненных неустойчивых ¡.озонаторов позволила решить эту проблему для импульсных лазеров с большим объемом однородной активной сроды. Однако во многих практических случаях угловая расходимость излучения оказывается далекой от своего теоретического предела/1/. Причиной этого, как правило, являются фазовые искажения оптического траста резонатора, образование которых может быть связано как с разьюстиртовкой и термиде формацией огггических элементов неустойчивых резонаторов, так и с формированием оптических нооднородностей в активных сродах лазеров. Причем механизм образования последних весьма разнообразен. В частности, для импульсных элоктроионизационных (ЭИ) С02лазеров атмосферного давления характерно возникновение во время генерации особого вида фазовых искажений, связанных с тепловой не.танейностью активной ('¡юлы, получивших в литературе название неоднородностой с ам1о в о з до й ств и я/?. /.

В связи с разработкой мощных импульсных ЭИ СО лазеров проблемы .уменьшения самовоздействия излучения и компенсации крупно масштабных аберраций оптического тракта в лазерах с неустойчивыми резонаторами оказались в ряду важнейших проблем, требовавших своего рошения. Как известно, специфика проточных ЭИ С0глазоров такова, что проведение на их базе сложных экспериментальных исследований связано обычно с большими материальными затратами. В полной мере это относится к экспериментам, направленным на уменьшение искажений, вызванных самовоздействием (например, путем выбора состава активной среда и оптимальных условий работы), а также к исследованиям, связанным с попыткой компенсации искажений с помощью внутрирезонаторных адаптивных систем. В этих условиях на первый план выдвигаются методы численного моделирования, позволяющие проанализировать роль самых различных факторов и разработать новые подходы к проблеме уменьшения искажений волнового фронта и их адаптивной компенсации.

П?:ль._дисоерта1шонной_рабо'гь1._ Диссертационная работа имела

целью исследование методами математического моделирования свойств неустойчивых резонаторов импульсных ЭИ СО лазеров в присутствии светоиндуцированных динамических фазовых искажений активной среди,I

и анализ возможности компенсации крупномасштабных оптических но-однородностей в таких лазерах с помощью методов внутрирезонаторной адаптивной оптики. В связи с этим в работе рассматриваются вопросы, связанные с разработкой численных моделей ЭИ СО^лазеров с неустойчивыми резонаторами, учитывающих эффекты самовоздействия, а также моделей внутрирезоиаторных адаптивных систем на базе неустойчивых резонаторов. Численными методами проводится анализ свойств поля излучения в резонаторе и на основе этого анализа формулируются рекомендации, направленные на уменьшение расходимости излучения импульсных ЭИ С02лазеров.

Степвнь_ндвизны_и_на^чное_значен Научная новизна диссертационной работы состоит в том, что в ней впервые получены следующие результаты:

—на основе самосогласованной модели импульсного ЭИ СО^лазера с неустойчивым резонатором численно исследована эволюция пространственной структуры моды резонатора во время генерации при развитии ь активной среде светоиндуцированных фазовых искажений. Показано, что характер развития эффекта самовоздействия существенным образом зависит от параметров неустойчивого резонатора. —численно исследованы параметры излучения ЭИ С02лазеров с неустойчивым резонатором, включающим зеркала со сглаженным краом. Показано, что использование внутрирезонаторной аподизации позволяет уменьшить проявление самовоздействия света в сроде ЭИ С02лазоров. —численно и аналитически исследована зависимость уровня светоиндуцированных фазовых искажений и угловых характеристик выходного излучения ЭИ С02лазеров от процентного содержания СО^и (^в рабочей газовой смоси для различных параметров неустойчивого резонатора. —предложен и исследован алгоритм управления внутрирезонаторной адаптивной системой, построенной на базе неустойчивого резонатора и работающий по схеме фазового сопряжения.

—теоретически обоснована возможность использования во внутрирезонаторной адаптивной системе в качестве датчика волнового фронта дырчатого зеркала, размещенного внутри неустойчивого резонатора.

Научное значение заключается в том, что полученные результаты расширяют представление о процессах, происходящих в неустойчивых резонаторах при самовоздействии излучения, о возможных направлениях уменьшения отрицательного влияния этого эффекта на характеристики излучения лазеров, а также о возможности использования внут-рирезонаторных адаптивных систем для компенсации крупномасштабных

фазовых искажений в неустойчивых резонаторах.

Пршсгическая_ ценность. работы заключается п г^дуучг1»» : сзздано оригинальная численная модель кмпульсчрто Э!1 CO.,лазера с ноустойчивчч резонатором, позволяющая адекватно описывать "ро-лесс генерации при развитии самовоздействия излучения в атгиь -ной среде. Результаты, полученные при ее использовании, могут служить основой для ¡проектирования резонаторов для ЭИ СХКлазоров.

-сформулированы требования к параметрам активной среды и но -устойчивого резонатора, выполнение которых позволит снизить отрицательное влияние эффектов самовоздяаствия пч осевую яркость излучения импульсных ЭИ СО лазеров.

■--предложен простой и вместе с тем эффективный алгоритм управлс-лия вн.утрирезонаторнпй адаптивной системой фазового сопряч;ония. - - обоснован простой способ измерения волнового фронта излучения в мощных .лазерах с неустойчивым резонатором с использованием дырчатых зеркал. Сформулированы требования к оптимальным параметрам дырчатых зеркал.

Лпроба1.щ__работн. По материалам диссертации сделаны доклады на III (.Ленинград. 108?.), ТУ (Ленинград, 1984) и У (Ленинград, 1087) Всесоюзных конференциях "Оптика лазеров". Основные результаты диссертации изложены в работах\10-18\.

QTPYKIYP?- и „объем. диссертацииДиссергация состоит из вводе -ния, пяти глав, заключения и списка литературы. Работа изложена на Т42 страницах машинописного текста, содержит 39 рисунков и библиографию из 134 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обосновывается актуальность диссертационной работы. изложены ее цели и практическая значимость. Формулируются защищаемые положения .диссертации.

_Глава_Т^_Матсматтеское. моделщование^импульсных СО лазеров

с_ноустойчивь!МИ ..резонаторами. В главе I рассмотрены описанные в литературе методы расчета заполненных активной средой неустойчивых резонаторов и импульсных СО лазеров. Проанализирована степень их соответствия требованиям к численным моделям, предназначенным для исследования свойств неус-тойчивмх резонаторов ЭИ СО лазеров с учетом самовоздействия излучения в активной среде и исследования внутрирезонаторных адаптивных систем компенсации фазовых искажений оптического тракта лазера.

На основании этого анализа делается вывод о том, что волновой метод расчета поля в неустойчивом резонаторе, предложенный Сигменом и Сиклашем\3\, сочетает необходимую для адекватного описания све-тоиндуцированных неоднородностей активной среда точность представления поля в резонаторе с достаточно высоким быстродействием. Глава 2. Пространственные и энергетические характеристики из^чения_ЭИ_СО_лазеров_с_длш^льностш десятка микросекунд на базе неустойчивого резонатора. Во второй главе рассматривается численная модель импульсного ЭИ С02лазера с неустойчивым резонатором, учитывающая тепловую нелинейность активной среды, и обсуждаются результаты расчетов. В разделе 2.1 проведен краткий обзор литературы, посвященной самовоздействию излучения, позволяющий выделить диссертационную работу из работ других авторов.

В \4\ экспериментальным путем было показано, что в условиях развития сьетоиндупированных неоднородностей активной среда генерация излучения может принимать неустойчивый характер. Скачкообразные изменения структуры поля в неустойчивом резонаторе ЭИ СО., лазера свидетельствовали о сложном характере взаимодействия светового поли со средой. Разработанная к этому моменту теория не позволяла детально описать сложную картину генерации, зафиксированную в экспериментах, поскольку в опубликованных к этому моменту работах либо использовался несамосогласованный подход к решению задачи (при численном решении) либо делался ряд существенных приближений (теория ЭВР).

Самосогласованная численная модель, позволяющая описать генерацию ЭИ СО лазера с учетом самовоздействия света, рассматривается в разделе 2.2. Двумерная модель импульсного ЭИ СОглазера включает уравнения газовой динамики, представляющих собой уравнения сохранения массы, импульса и энергии идеального газа, волнового уравнения для .светового поля в неустойчивом резонаторе и уравнений лазерной кинетики в рамках 4х-температурного приближения. При расчете поля в резонаторе моделировался реальный процесс формирования излучения в СО лазере с неустойчивым резонатором. В ходе расчетов волна с комплексной амплитудой исх.ю распространялась в прямом и в обратном направлениях по резонатору. При этом амплитуда волны и ее пространственное распределение видоизменялись в результате совокупного действия трех процессов (I) дифракции на ограничивающей пучок апертуре, (2)усиления среды, переменного по сечению

вследствии эффектов насыщения и наведенных свотом неоднородностей накачки, плотности и температуры газа и (3) рефракции на флукту-лциях плотности. Активная среда длиной 1а с разбивалась на п1 сегментов, свойства которых описывались бесконечно-тонкими амплитудно-фазовыми ¡экранами. Для расчета распространения волны в свободном пространство между экранами Щх.-ь) разлагалась в ряд по плоским волнам с использованием процедуры быстрого преобразования Фурье. На каждом проходе по резонатору, соответствующему моменту времени ь 0=0.1.2,...).при прохождении волной амплитудно-фазового экрана ее амплитуда П(х.-ь) умножалась на ЕХР(ак(х^ )Д1), где

О-комплексный коэффициент усиления когоэкрана, Л1=1а /пг Действительная часть коэффициента усиления 1!е<мк(х,ь ) определялась из решения уравнений лазерной кинетики с учетом суммарной интенсивности двух встречных потоков, рассчитанной на предыдущем и-1)-м проходе, т.е. в момент времени ь -г -21/0 (ь-база резонатора, с-скорость света). Величина 1то«к(х,ъ ), пропорциональная флуктуациям плотности среды, рассчитывалась с более крупным шагом н^ш 2Ь/с, что допустимо вследствие относительно медленного изменения волн плотности в среде. Оптимальное значение ш выбиралось из условия сходимости разностной схемы уравнений газодинамики.

Помимо изложения особенностей численной модели в данном раздело оценивается величина погрешности, вносимой при описании трехмерных процессов в реальных ЭИ С02лазерах на основе двумерной модели.

Сопоставление экспериментальных данных с выводами, следующими из численного анализа, проведено в разделе 2.3. Резонатор экспериментально исследуемого лазера был образован плоским и выпуклым цилиндрическим зеркалами. В поперечном направлении, вдоль которого резонатор был неустойчивым, он имел следующие параметры: коэффициент увеличения м=1.8, ь=2,3м, 1а =30см, эквивалентное число Френеля Нокв=1,2. Результаты расчета и экспериментальные данные представлены на рис.1. Несмотря на довольно сложную динамику структуры излучения в резонаторе экспериментальные и расчетные данные хорошо количественно согласуются друг с другом.

С помощью специального численного эксперимента, в ходе которого весь алгоритм расчета сохранялся, а вариации оптической плотности среды искусственно поддерживались равными нулю, показано, что главной причиной, приводящей к перестройке модовой структуры резонатора являются фазовые искажения активной среды, а не амплитудные эффекты, связанные, например, с неравномерным "выеданием"

инверсной населенности.

Для выяснения механизма перестройки модовой структуры в данном разделе приведены результаты цикла расчетов, в котором методом Прони определялись собственные числа нескольких низших мод пустого резонатора, содержащие аберрации, равные по своему воздействию на поле излучения возмущениям оптической плотности активной среды исследуемого ЭИ С02лазера, возникающим в различные фиксированные моменты генерации(см.рис.2). Отмечается тесная связь характера временного развития генерации со свойствами резонатора, проявляющаяся, в частности, в том, что кривая, отражающая эволюцию потерь колебаний заполненного резонатора, хорошо "отслеживается" кривой зависимости от времени потерь низшей моды пустого резонатора. Небольшое отклонение указанных кривых связано с влиянием нестационарных процессов взаимодействия света с волнами плотности и эффектами нелинейного усиления излучения в активной среде. Отмечается, что в условиях самовоздействия излучения во время генерации происходит существенная деформация спектра колебаний неустойчивого резонатора, сопровождающаяся скачкообразной сменой в отдельные моменты генерации низшей поперечной моды резонатора, вызванной образованием локальных устойчивых резонаторов в приосевой зона неустойчивого резонатора. Существенная роль в этих процессах принадлежит "объемным" светоиндуцированным неоднородностим.

В разделе 2.4 численными методами анализируется характер го-нерации импульсных ЭИ СО лазеров с неустойчивыми резонаторами, имеющими различные эквивалентные числа Френеля н.лкы при развитии самовоздействия излучения в активной среде. Отмечается, что увеличение скорости пространственных перестроек связано с уменьшением масштабов изреззшюсти светового поля и уменьшением можмодо-вого расстояния по потерям в спектре потерь поперечных мод неустойчивого резонатора.

В разделе 2.5 приведены результаты численного моделирования мощных импульсных ЭИ С02лазеров при различных параметрах неустойчивого резонатора и накачки. Показано, что оптимальное (с точки зрения энергии, излучаемой в заданный угол Еа ) увеличение розона-

д

тора м может существенно отличаться от значений, обеспечивающих максимальную энергетическую эффективность генерации. Отмечается наличие критических значений энерговклада, превышение которых не приводит к увеличению Е , несмотря на рост энергии генерации.

Численно показано, что увеличение среднего уровня интенсивности света в резонаторе, происходящее при повышении энерговклада, не приводит к снижению "объемных" светоиндуцированных неоднороднос-тои тепловыделении ДО, как это происходит в усилительном режиме\5\, где лсгм « /(1+1 /х )2 (м , I -средний уровень и глубина мо-

о о о Н«лС о о *

дуляиди интенсивности света, I , ^-интенсивность насыщения и коэффициент усиления слабого сигнала соответственно). Это обстоятельство связано с наличием зависимости в лазере глубины модуляции интенсивности поля Д1 от I и « ,

о о

Приведены результаты расчетов зависимости угловой расходимости выходного излучения от мощности накачки при постоянном энерговкладе. Показано, что повышение мощности накачки (т.е. уменьшение времени энерговклада тн) может приводить к существенному выигрышу в направленности выходного пучка,

0^ва_3Л_Пути_уменьщенин_самовоздейст

5И_С02лазера_с_неустойчшым_2езонатором Как известно, коэффициент трансформации расходящейся волны в сходящуюся может быть значительно уменьшен при использовании в неустойчивом резонаторе выходных зеркал со "сглаженным" краом\6\.По-этой причине при "сглаживании" края можно ожидать снижение эффективности 1фоисходящих при развитии самовоздействии света процессов перекачки энергии из расходящейся волны в сходящуюся, приводящих к увеличению амплитуды модуляции поля в резонаторе и росту уровня светоидцуц/рованных неоднородаостей\4,7\.

Анализу этого подхода к снижению отрицательного влияния самовоздействия посвящен раздел 3.1. Из всех известных способов "сглаживания" края зеркал резонатора исследуется два способа наиболее приемлемых для мощных импульсных ЭИ С02лазеров: метод сглаживания с использованием зеркал с зубчатым краем и метод, при котором эффект, аналогичный сглаживанию, достигается за счет использования зеркал с дополнительной фазовой "ступенькой" вдоль контура зерка-ла\8\, которая может быть выполнена, например, при алмазном точении зеркальной поверхности. Приведены результаты численного моделирования, демонстрирующие существенное снижение амплитуды светоиндуцированных фазовых искажений среда при использовании аподизиру-ющих элементов обоих типов.

В разделе 3.2 анализируется влияние процентного содержания компонент активной среды состава сог:Л :Не на уровень светоинду-цированных искажений и качество выходного цучка. Решение линеаризованных уравнений лазерной кинетики среды С02лазера позволило в явном виде представить зависимость уровня неоднородного светоиндуцированного тепловыделения от состава среды и оценить на основе этой зависимости уровень флуктуации показателя преломления для двух предельных случаев: т « р и т » р /V , где

И о Э & И о э ^

ро-характерный масштаб флуктуации плотности, уэв-скорость звука в среде. Впервые отмечается существенное влияние процентного содержания азота и углекислого газа на уровень светоиндуцирован-ных неоднородностей. Приведены результаты численного моделирования генерации излучения ЭИ С02лазеров с различными параметрами неустойчивого резонатора и компонентного состава активной среды. Отмечается, что, несмотря на ряд существенных допущений, полученные аналитические оценки достаточно точно согласуются с данными численных расчетов. Показано, что уменьшение количественного соотношения азота и углекислого газа в активной среде (в пределах сохранения высокой эффективности генерации) приводит к снижению уровня светоиндуцированных искажений в резонаторе и повышению качества выходного пучка. Численно показано,что при увелиние масштабов модуляции интенсивности излучения до величин ро» увеличение количества гелия в рабочей смеси повышает уровень аберраций в резонаторе ЭИ С02лазера.

Глэва_4л_Численное^оде.^д

систомы_пршент«льно_к_ЭИ_С02дамрам

В реальных импульсных ЭИ С02лазерах помимо нелинейных относительно мелкомасштабных неоднородностей самовоздействия важным фактором, снижающим направленность выходного излучения, я&ляются крупномасштабные инерционные фазовые искажения, возникающие, например, при термодеформации и рззьюстировке зеркал резонатора. В главе 4 исследуются свойства неустойчивого резонатора с внутриро-зшпторной адаптивной■компенсацией такого рода искажений.

В 4.Т приводится анализ .литературы по этому вопросу,отмечаются преимущества внутрирезонаторных систем адаптации перед внешними адаптивными системами и систем фазового сопряжения перед системами многоканальной модуляции применительно к импульсно-периоди-

49ским ЭИ С02лазерам с неустойчивыми резонаторами.

В 4.2 на основе методики геометрического расчета профиля волнового фронта излучения в резонаторе рассматриваются вопросы построения схемы адаптивного резонатора и алгоритм управления адаптивной системой фазового сопряжения. Специфика задачи состоит в том, что измеряемая в эксперименте форма волнового фронта излучения в неустойчивом резонаторе сложным образом связана с профилем фазовых искажений его оптического тракта. Поэтому прямое использование метода фазового сопряжения затруднено. В работе предложен итерационный алгоритм управления гибким зеркалом, позволяющий компенсировать внутрирозонаторные аберрации в широком диапазоне параметров неустойчивого резонатора. Суть алгоритма состоит в следующем: измеряется форма волнового фронта в выходной плоскости резонатора, сигналы, соответствующие отступлению фронта от плоского, умножаются на'коэффициент а^ и с обратным знаком вводятся в систему управления в качестве сигналов, управляющих формой адаптивного зеркала. Показано,что итерационный процесс должен сходиться при условии сиао<2(1-м"к) .где к-порядок разложения аберраций по поперечной координате. При ао-1-м"кскорость сходимости максимальна.

В 4.3 приведены результаты численного моделирования внутри-резонаторной адаптивной системы в волновом приближении. Как показали расчеты, описанный алгоритм адаптации обеспечивает компенсацию внутрирезонаторных искажений уже через несколько (2-С) итораций. Скорость сходимости итерационного процесса, а также эффективность адаптации, характеризуемая степенью улучшения угловых характеристик излучения, зависят от пространственной частоты неоднородностей и параметров резонатора. В заключении представлены результаты расчетов, демонстрирующие эффективную компенсацию адаптивной системой крупномасштабных искажений в присутствии характерных для проточных ЭИ СО., лазеров мелкомасштабных фазовых неоднородностей. Глава_5^_^дленнде_модо^^ование_неуст лазерэ_с_анажзатором_вожового_фронта_на_о

В главе 5 исследуется возможность измерения фазы излучения в неустойчивом резонаторе с помощью дырчатого зеркала, установленного в резонаторе и используемого как элемент датчика Гартмана во внутрирезонаторной адаптивной системе фазового сопряжения.

В 5.1 проведены аналитические оценки влияния размеров отвер-

стий и их положения в субапертурэх на точность измерений локальных углов наклона волнового фронта. Получены выражения, позволяющие оценить дисперсию ошибки измерений в зависимости от параметров дыр-чзтого зеркала и фазовых искажений. В следующем разделе оценивается влияние рассеяния света на краях зеркал неустойчивого резонатора и отверстиях дырчатого зеркала на точность из -морений. Полученные выражения позволяют определить оптимальные параметры дырчатого зеркала, зависящие от параметров резонатора и фазовых искажений.

В 5.3 приведены результаты численного моделирования неустойчивого резонатора с дырчатым зеркалом. Показано, что введение в резонатор дырчатого зеркала с площадью отверстий, достаточной для получения информации о крутомасштабных искажениях, не приводит к существенным возмущениям структуры поля в резонаторе. Так, при относительной площади отверстий ~ 3% в телескопическом неустойчивом резонаторе с м=2, Нокв=16 число Штреля по сравнению с идеальным резонатором уменьшалось не более, чем на ~ 6%. Оценивалась также точность измерения локальных углов наклона волнового фронта при параболическом искажении фазы волны в резонаторе. Отмечается хорошее соответствие аналитических оценок с результатами расчета.

В 5.4 с помощью численных расчетов оценивается эффективность работы датчика волнового фронта на основе дырчатого зеркала в составе внутрирезонаторной адаягивной системы фазового сопряжения, предназначенной для компенсации фазовых неоднородностей типа сферы и клина. Численно моделировался адаптивный телескопический неустойчивый резонатор с м=2 мэкв=12, в выпуклом зеркале которого располагались 3x3 отверстий в виде прямоугольной сетки с общей площадью" 4%. Результаты расчетов показали, что начиная с искажений, характеризуемых среднеквадратичным отклонением крупномасштабных фазовых искажений & 5 на проход, адаптивная коррекция аберраций дает выигрыш в угловой расходимости, который растет по мере возрастания уровня аберраций и для ог~к достигает 4 раз.

В„?эключении сформулированы основные результаты, полученные в работе, и выводы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ, -предложена и теоретически обоснована численная модель импульсного ЭИ С0_,.лазера с неустойчивым резонатором, позволяющая рассчитывать энергетические и пространственные характеристики поля'излучения в резонаторе с учетом эффекта самовоздействия в активной

среде.

-проведено сопоставление результатов динамики генерации импульсного ЭИ С02лазера с неустойчивым резонатором с данными эксперимента, доказывающее адекватность численной модели, -численными методами показано, что в условиях самовоздействия излучения во время генерации ЭИ С0глазера с неустойчивым резонатором мелит происходить существенная деформация спектра частот и потерь собственных колебаний резонатора. Показано, что наблюдаемая б эксперементе скачкообразная смена низшей поперечной моды неустойчивого резонатора связана с формированием условий для образования в приосевои зоне локальных устойчивых резонаторов.

-проведен анализ характера зависимости динамики изменения структуры излучения в неустойчивом резонаторе при самовоздействии света Г) актшиой среде от параметров резонатора и процентного содержания азота и углекислого газа в рабочей газовой смеси ЭИ СО/пзора.

-приведены результаты расчетов, демонстрирующих существенное снижение отрицательного влияния самовоздеиствин света на излучение ЭИ СО., лазорев при использовании внутрирезонаторной аподизации. -предложен итерационный алгоритм управления внутрирезонаторной адаптивной системой фазового сопряжения и численными методами продемонстрирована эффективность его использования для компенсации крупномасштабных фазовых искажений оптического тракта неустойчивого резонатора.

-проанализирован метод измерения волнового фронта мощного излу-чония в неустойчивом резонаторе с помощью дырчатых зеркал, используемых как элемент датчика Гартмана во внутрирезонаторной адаптивной система. Получены оценки точности измерения фазы волны резонаторе данным методом.

-численными методами показано, что внутрирезонаторная адаптивная система, построенная на базе неустойчивого резонатора по итерационной схеме фазового сопряжения с датчиком волнового фронта на основе дырчатого зеркала позволяет получить в ряде случаев существенный выигрыш в угловой расходимости выходного излучения.

т

л /' 1 {/\fJul

■ ^^ I______

м

Уч\ р._

1 ■

IГ ¿р/р.'л

----

п п

1

1 10 у \

-ИМ -0.

а аи х -ам

цМ х

Рис.I.Пространственное распределение интенсивности излучения в выходной плоскости неустойчивого резонатора (а) и фдуктуаций плотности активной среды (б) в различные моменты времени (пунктирные кривые-расчет, сплошные-эксперимент).

у I

О 4 8 12 16

Рис.2.Зависимость от времени потерь четырех низших мод пустого неустойчивого резонатора (1-4) и потерь моды заполненного активной средой резонатора (5).

1. Ананьев Ю.А. Оптические резонаторы и проблема расходимости лазерного излучения.- М.: Наука.-1979.

2. Roper V.G., Lamberton H.M., Parcell E.W., Manley A.W.J.

WOptica Comm. - 1978 . -v . 25 , N°2 . -p. 235-240 .

3. ^ziklas E.A.,Siegman A.E.//Appl.Opt.-1975.-v.14,N°8.-P. 1874-1889.

4. Димаков O.A., Пельменев A.Г., Петров В.Ф.и др.//Квантовая электроника. -1985. -т. 12, №б. -с Л285-1289.

5. Юрьев М.С.//Оптика и спектроскопия,1987,в Л,с.136-130.

6. Ананьев Ю.А., Шерстобитов B.E.//B сб.Квантовая электроника, 1971,№3,с.82-80.

7.' Дерюгин A.A., Лиханский В.В., Напартович А.П.//Квантовая элоктроника.-1988.-т.13,№б.-с.I7II-T7I3.

8. Ferguson T.R., Smithara М.Е., Porklne J.E. //Appl.Opt.-1986.-v.25,N°5.-p.672-677.

9. Глухих И.О., Дутов А.И., Федоров C.B. и др. //Письма в ИГГФ -1990.-т.I6.B.II-C.56-59. '

10. Ковальчук Л.В., Родионов А.Ю., Шерстобитов В.Е. Численное моделирование внутрирезонаторной адаптивной системы.// Тез.докл. 3 Всес.конф."Оптика лазеров".-Л.Л0И.-1982,-

с.257-258.

IT. Ковальчук Л.В., Родионов А.Ю., Шерстобитов В.Е. Численное моделирование внутрирезонаторной адаптивной системы. //Квантовая электроника.-1983.-т.10,№8.-с.I564-I57I.

12. Высоцкий Ю.П., Ковальчук Л.В., Родионов А.Ю..Серегин A.M., Чобуркин Н.В. Самовоздействие излучения в резонаторе СОглазера.//Тез.докл. 4 Всес.конф."Оптика лазеров".-Л.-ГОИ. - 1884.-с.86.

ТЗ. Галушкин М.Г., Ковальчук Л.В., Родионов А.Ю., Серегин A.M., Чебуркин Н.В., Устинов Н.Д. Самовоздействие излучения в резона торе С02лазера.//Квс;НТОвая элоктроника.-1985.-т.12, №4.- с.868-871.

14. Завгороднева С.И., Ковальчук Л.В., Родионов А.Ю., Исследование неустойчивого резонатора с дырчатым зеркалом.//Квантовая электроника. -1986. -тЛЗ,Н°5. -с. 924-931.

15. Димаков С.А., Петров в.Ф., Родионов А.Ю., Яшуков В.П. О активных потерях в импульсном ЭИ СОглазере.//Тез.докл.

5 Всес.конф."Оптика лазеров".-Л.:ГОИ.-1987.-с.52

16. Димэков С.А., Ковальчук Л.В., Пельменев А.Г., Петров В.Ф., Родионов A.D., Трусов В.П., Шерстобитов В.Е., Яшуков В.П. Влияние тепловой нелинейности на динамику излучения злек-троионизационного СОглазера с неустойчивым резонатором. //Квантовая электроника.-1987.-т.14,№3.-с.466-476.

17. Ковальчук Л.В., Родионов А.Ю. Влияние концентраций N2 и С02 в рабочей газовой смеси электроианизационного С02лазера на динамику светоиндуцированного тепловыделения.//Оптика и спектро скопия.-1988.-т.65,вып.6.-с.I3I7-I32I.

18. Димаков С.А., Завгороднева С.И., Ковальчук Л.В., Родионов А.Ю., Шерстобитов В.Е., Яшуков В.П. Исследование пространственных характеристик излучения С02-ЭИЛ с внутрирезонатор-ной аподизацией.//Квантовая электроника.-1990.-т.17,N°3.-с.291-295.

Подписано к печати 20 О5"2! . М -Формат 60x84/16. Печать офсетная. Усл.печ.л. 0,93. Уч.-изд.л. 0,99. Тираж 100 экз. Заказ Ц95 . Тип. ГОИ. Бесплатно.