Исследование тепловых решеток в нелинейных средах для коррекции искажений в оптических системах на основе ЭИ СО2-лазеров тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.05 ВАК РФ

ВСЕРОССИЙСКИЙ НАУЧНЫЙ ЦЕНТР "ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ОПТИЧЕСКИЙ

ИНСТИТУТ ИМ. С. И. ВАВИЛОВА".

На правах рукописи УДК 621.373.826

В.В.СТЕПАНОВ

исследование тепловых решеток в нелинейных средах для коррекции искажений в оптических системах на основе

эи со2-лазеров

(Специальность 01.04.05 - оптика)

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата физико - математических наук

Научные руководители -кандидат физико - математических наук В. Е. ШЕРСТОБИТОВ, кандидат технических наук Ю. А. РЕЗУНКОВ

Санкт - Петербург 1998 год

Оглавление

стр.

Введение....................................................................................................................................-4

Защищаемые положения............................................................................................................7

Глава 1. Тепловые решетки в нелинейных средах и компенсация аберраций волнового фронта излучения электроионизационного СОг-лазера методами обращения волнового фронта и динамической голографии (Обзор литературы)....................8

1.1. Исследование динамики тепловой решетки плотности при ЧВВ излучении ЭИ С02-лазера в ББе...............................................................................................9

1.2. ОВФ при ЧВВ в активной среде импульсного ЭИ ССЬ-лазера.......................18

1.3. Использование методов ОВФ и голографических методов для коррекции аберраций телескопических систем....................................................................25

Глава 2. Исследование динамики оптического качества тепловых решеток показателя

преломления при ЧВВ в .......................................................................................34

2.1. Деградация решетки плотности при постоянных в пространстве профилях световых полей....................................................................................34

2.2. Быстродействие тепловых решеток при изменении во времени

фазы сигнальной волны.......................................................................................44

Выводы..................................................................................................................60

Глава 3. Исследование динамики процесса ЧВВ в активной среде

импульсно-периодического электроионизационного СОг-лазера..........................62

3.1. Краткий анализ процессов в газовой нелинейной среде, влияющих на динамику ЧВВ в акти зной среде ЭИ СОг-лазера..............................................63

3.2. Экспериментальные исследования динамики коэффициента отражения при ЧВВ в активной среде макета ЭИ СОг-лазераи ЭИ СОг-усилителя...............70

3.2.1. Результаты исследований ЧВВ в активной среде

усилительного тракта.....................................!............................................74

3.2.2. Результаты исследований ЧВВ в активной среде лазера......................78

3.2.3. Анализ результатов проведенных исследований.....................................82

3.3. Характеристики ЧВВ в активной среде проточной разрядной камеры импульсно-периодического ЭИ СОг-лазера.......................................................86

3.4. Исследование компенсационных возможностей ОВФ при ЧВВ в активной

среде импульсно-перисдического ЭИ С02-лазера...............................................91

3.4.1. Эксперименты по исследованию коррекции искажений в усилителе.....91

3.4.2. Сравнительное исследование степени коррекции искажений в телескопической системе с составным главным зеркалом методом ЧВВ в 34SF6 и в активной среде ЭИ СОг-лазера

в импульсном режиме работы.........................v...........................................97

3.4.3. Результаты исследований ОВФ-компенсации искажений телескопической системы с составным главным зеркалом

в импульсно-перкодическом режиме работы...........................................104

Выводы.........................................................................................................107

Глава 4. Динамическая голографическая коррекция аберраций наблюдательных

и формирующих систем на основе ЭИ СОг-лазеров...........................................109

4.1. Коррекция аберраций наблюдательных систем с использованием

в качестве нелинейной среды SFe....................................................................109

4.2. Коррекция аберраций формирующих систем методом

"квазичетырехволнового ОВФ".......................................................................121

Выводы...............................................................................................................127

Заключение........................,....................................................................................................129

Благодарности..........................................................................................................................131

Литература...............................................................................................................................132

Введение.

В настоящее время для компенсации динамических аберраций волнового фронта лазерных пучков широко используются различные методы обращения волнового фронта (ОВФ). ОВФ позволяет компенсировать не только сравнительно медленные аберрации,

л"

вносимые оптическими элементами, но и фазовые возмущения волнового фронта, возникающие в лазерных системах в процессе самой генерации. Основными параметрами, определяющими применимость того или иного метода ОВФ в лазерных системах, являются эффективность, быстродействие и качество ОВФ-зеркала.

Для СОг-лазеров с длиной волны излучения 10,6 мкм наиболее развитым методом ОВФ является четырехволновое взаимодействие (ЧВВ) этого излучения в различных нелинейных средах. Исследованию физических процессов, определяющих применимость этого метода для коррекции волнового фронта лазерных систем, создаваемых на основе мощных импульсно-периодическях электроионизационных (ЭИ) СОг-лазеров с длительностью импульса 10 ч- 20 мкс, и посвящена данная работа.

Основной целью данной работы являлось исследование физических процессов, определяющих качество и быстродействие ОВФ при ЧВВ излучения электроионизационного СОг-лазера с длительностью импульса 10 -ь 20 мкс в наиболее перспективных средах с тепловой нелинейностью, а также возможности компенсации аберраций телескопических систем с использованием тепловой решетки показателя преломления на основе единого подхода к использованию методов ЧВВ и динамической голографии.

Наилучшие результаты по эффективности процесса ЧВВ излучения такого лазера были получены ранее в эле газе ББб (см. главу 1). В этом случае обращенная волна формируется, в основном, за счет тепловой нелинейности - зависимости показателя преломления от температуры газа. Результаты исследований пространственно-временной структуры тепловой голограммы в БРб, выполненные в данной работе с использованием интерферометрических методов и более совершенной цифровой контрольно-измерительной аппаратуры, позволили обнаружить ряд новых особенностей, определяющих динамику процесса ЧВВ в течении импульса генерации, и определить предельное быстродействие ОВФ-зеркала при ЧВВ в 8Рб.

Использование активной среды в качестве нелинейной для ЧВВ позволяет не только заменить поглощающую среду на усиливающую, но исключить из схемы узел формирования опорных волн в случае внутрирезонаторного ЧВВ. К моменту постановки работы в литературе практически отсутствовала информация о качестве ОВФ при ЧВВ в

активной среде ЭИ СОг-лазера, а также об эффективности при обращении достаточно . мощного излучения, пригодного для применения в реальных лазерных системах. Проведенные в данной работе исследования позволили обнаружить ряд особенностей ЧВВ в активной среде СОг-лазера, которые влияют как на процесс ЧВВ, так и на режим генерации задающего генератора. Полученные результаты были использованы при исследованиях компенсационных возможностей ОВФ-зеркала на активной среде ЭИ СО2-лазера. Исследования проводились при использовании этого зеркала в составе системы формирования излучения мощного лазера в телескопических системах типа ТЕНОКОМ. Впервые в работе был продемонстрирован метод внутрирезонаторного ОВФ в импульсно-периодическом режиме работы лазера.

Подход к анализу процессов при ОВФ-ЧВВ, как процессов формирования обращенного волнового фронта методами динамической голографии, позволил на следующем этапе работы продемонстрировать применение динамической голограммы, записываемой в 8Бб, не только в системах формирования излучения, но и в адаптивных оптических системах для наблюдения удаленного объекта. Разработанный в работе метод "квазичетырехволнового ОВФ" снимает требование к взаимной когерентности светового сигнала от объекта и пучков, формирующих голограмму-корректор. Экспериментальная демонстрация возможностей квази-ЧВВ ОВФ-зеркала в 8Е6 для голографической коррекции изображающих систем была проведена с использованием телескопической системы ТЕНОКОМ, разработанной в ВНЦ ГОИ.

В первой главе данной работы на основе анализа литературных данных сформулированы основные задачи, которые были решены при исследовании процессов формирования тепловой решетси плотности при четырехволновом взаимодействии излучения ЭИ СОг-лазера как в 8Е6, так и активной среде лазера. Сформулирован подход к использованию тепловой решетки в качестве голограммы для коррекции аберраций как наблюдательных, так и формирующих телескопических систем ИК-диапазона.

Во второй главе изложены результаты исследований качества ОВФ при ЧВВ в БЕб в

V

течение генерации ЭИ СОг-лазера с длительностью импульса до 20 мкс, а также исследований быстродействия такого ОВФ-зеркала с целью оценки способности отрабатывать аберрации сигнального пучка, возникающие в течении импульса генерации. Показано, что основным параметром, определяющим быстродействие такого зеркала, является время У-Т релаксации уровней молекулы БЕб.

В третьей главе представлены результаты исследований эффективности процессов ЧВВ в активной среде ЭИ СОг-лазера. Продемонстрировано отражение на двух типах

тепловых решеток (энтропийной и акустической) и, следовательно, влияние динамики внутрирезонаторного ЧВВ на динамику излучения ЭИ СОг-лазера. В этой же главе описаны сравнительные эксперименты по демонстрации качества обращения при ЧВВ в ББе и в активной среде лазера, представлены результаты испытаний внутрирезонаторного ОВФ-зеркала на активной среде в импульсно-периодическом режиме работы лазера.

В четвертой главе представлены результаты исследований по коррекции аберраций составного главного зеркала телескопической системы методом динамической голографии с использованием в качестве нелинейной среды ББб . На основе единого подхода к ЧВВ и динамической голографии предложен и описан метод "квазичетырехволнового ОВФ", приведены экспериментальные результаты, демонстрирующие возможности метода.

Защищаемые положения.

1. Результаты экспериментальных исследований и анализа причин нарушения оптического качества ОВФ-зеркала при ЧВВ на тепловой решетке показателя преломления в 8Рб. Обнаружен новый механизм нарушения качества обращения, связанный со смещением штрихов решетки под действием градиентов давления, вызванных неравномерностью распределения интенсивности излучения по апертуре взаимодействующих пучков.

2. Результаты экспериментальных исследований быстродействия ОВФ-зеркала при ЧВВ на тепловой нелинейности. Обнаружен механизм перезаписи тепловой решетки плотности под действием лок;шьных градиентов давления в газе, приводящий к отслеживанию штрихом решетки штриха интерференционной картины.

3. Результаты экспериментальных исследований динамики ЧВВ в активной среде ЭИ СОг-лазера с длительностью импульса 20 мкс, при малых углах сведения, обеспечивающих максимальную энергию отраженного пучка. Обнаружено существование отражения на тепловых решетках двух типов: энтропийной и акустической. Показано, что в условиях, когда время выравнивания давления поперек штрихов больше времени тепловой релаксации, отражение на акустической решетке приводит к росту коэффициента отражения с уменьшением угла СЕ.едения.

4. Результаты экспериментальных исследований ОВФ-зеркала при ЧВВ в активной среде ЭИ СОг-лазера. Показано, что в диапазоне аберраций сигнальной волны до десяти дифракционных углов ОВФ-зерк<шо на активной среде не уступает ОВФ-зеркалу на БРб. Впервые продемонстрирована компенсация динамических аберраций ОВФ-зеркалом на активной среде в импульсно-периодическом режиме работы лазера.

5. Результаты экспериментальных исследований по компенсации аберраций методом динамической голографии при записи голограммы в 348Рб. Показано, что использование голограммы в 348Бб позволяет получать безаберрационное изображение точечного объекта дифракционного размера при разъюстировках сегментов главного зеркала телескопа ТЕНОКОМ на углы до десяти дифракционных.

6. Метод "квазичетырехволнового ОВФ", являющийся аналогом метода ЧВВ, отличающийся тем, что считывание голограммы осуществляется не пучком встречной накачки, а отраженным ретроотражателем объектным пучком, продифрагировавшим на голограмме.

Глава 1. Тепловые решетки в нелинейных средах и компенсация аберраций волнового фронта излучения электроионизационного С02-лазера методами обращения волнового фронта и динамической голографии (Обзор литературы).

да

Как сказано во введении, основной целью данной работы являлось исследование физических процессов, определяющих качество и быстродействие ОВФ при ЧВВ излучения электроионизационного ССЬ-лазера с длительностью импульса Юн- 20 мкс в средах с тепловой нелинейностью, а также возможности компенсации аберраций телескопических систем с использованием тепловой решетки показателя преломления.

Наиболее перспективными средами с тепловой нелинейностью для ОВФ при ЧВВ излучения ЭИ ССЬ-лазеров, как будет показано в параграфах 1.1 и 1.2, являются элегаз ББв и активная среда самого лазера. Компенсация аберраций телескопических систем, как будет показано в параграфах 1.2 и 1.3, достигается с использованием как методов ОВФ, так и методов динамической голографии.

Исследования велись в трех направлениях:

1. Исследование причин нарушения качества ОВФ при ЧВВ в ББб излучения ЭИ СОг-лазеров с длительностью импульса 10 -г- 20 мкс, а также способности такого ОВФ-зеркала компенсировать искажения волнового фронта, возникающие в самих ЭИ СОг усилителях и лазерах.

2. Исследование динамики процесса ЧВВ в активной среде ЭИ СОг усилителя и лазера и компенсационных возможностей такого ОВФ-зеркала. Особо следует отметить исследование компенсационных возможностей в импульсно-периодическом режиме работы лазера.

3. Применение методов динамической голографии с использованием тепловой решетки показателя преломления, записываемой в ББб, для компенсации аберраций наблюдательных и формирующих оптических систем.

В соответствии с этими направлениям выполнен обзор литературы (параграфы 1.1, 1.2, 1.3) и построено изложение результатов работы (главы 2, 4).

1.1. Исследование динамики тепловой решетки плотности при ЧВВ излучения ЭИ СОг-лазера в 8Р6.

Необходимость разработки методов и схем обращения волнового фронта среднего ИК-диапазона была вызвана прежде всего тем, что на момент постановки данной работы (середина 80-х гг.), наиболее мощными и эффективными являлись лазеры, излучающие именно в этом спектральном диапазоне. [1]. Это лазеры, в которых генерация излучения происходит на молекулах НБ, ЕБ, СО и СОг. Наиболее »мощными из них являлись электроионизационные СОг-лазеры [2] - лазеры с несамостоятельным разрядом, обеспечивающим накачку газовой среды максимального объема.

В настоящее время единственным реализованным методом обращения волнового фронта излучения СОг-лазера является метод четырехволнового взаимодействия (ЧВВ) [3]. Четырехволновое взаимодействие: является процессом параметрического смешения в нелинейной среде трех волн, которое приводит к генерации четвертой, обращенной волны. Существуют два основных подхода к описанию процесса ЧВВ: подход параметрического взаимодействия излучения в нелинейных средах и подход динамической голографии.

' ' Е4 \

\1

Рис. 1.1. Схема четырехволнового взаимодействия. Е\, Ег - опорные волны, Ег - сигнальная волна, Еа - обращенная волна, 1 - нелинейная среда, 2 - решетка (голограмма) диэлектрической проницаемости.

В терминах нелинейной оптики эффект ОВФ-ЧВВ описывается, если известна поляризация Р11Л среды как нелинейная функция суммарного электрического поля Е. Процесс формирования обращенной волны описывается волновым уравнением для суммарного светового поля совместно с квантовомеханическими уравнениями [4]. Обычно последние настолько сложны, что анализ нелинейных оптических явлений состоит в выборе тех или иных разумных приближений. В случае ЧВВ таким приближением является условие малости изменения населенности уровней по сравнению с самими населенностями

в среде, характеризуемой кубичной нелинейной восприимчивостью.

Механизм генерации обращенной волны наиболее нагляден в голографической интерпретации процесса ЧВВ [5, 6]. Пусть Ет,{г) - волна, которую необходимо обратить, Е\(г) - опорная волна, когерентна* с волной Ез(г) (рис. 1.1). В результате интерференции этих волн в нелинейной среде записывается решетка-голограмма диэлектрической проницаемости (показателя преломления). Если эту голограмму осветить волной, направленной точно навстречу опорной и сопряженной с ней по ф