Обращение волнового фронта излучения СO2-лазеров с большой длительностью импульса на тепловых динамических голограммах в элегазе и органических жидкостях тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.21 ВАК РФ

Научно Исследовательский Институт Лазерной Физики

На правах рукописи

2

Соколов Виктор Николаевич

ОБРАЩЕНИЕ ВОЛНОВОГО ФРОНТА ИЗЛУЧЕНИЯ С02-ЛАЗЕР0В С БОЛЬШОЙ ДЛИТЕЛЬНОСТЬЮ ИМПУЛЬСА НА ТЕПЛОВЫХ ДИНАМИЧЕСКИХ ГОЛОГРАММАХ В ЭЛЕГАЗЕ И ОРГАНИЧЕСКИХ ЖИДКОСТЯХ

(01.04.21 - лазерная физика))

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Санкт-Петербург 2000 г.

УДК 621.373.826

Работа выполнена в Научно-Исследовательском Институте Лазерной Физики

Научный руководитель:

кандидат физико-математических наук В.Е. Шерстобитов

Официальные оппоненты

доктор физико-математических наук Ю.А. Ананьев

кандидат физико-математических наук

А.А. Лещев

Ведущая организация - Научно-Исследовательский нститут Электрофизической Аппаратуры им. Д.В. Ефремова

Защита состоится "20" декабря 2000 г. в "_"час. на заседании

диссертационного совета К. 105.01.01 в Государственном оптическом институте им. С И. Вавилова (199034, Санкт-Петербург, Биржевая линия, д. 12, ВНЦ ГОИ)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Автореферат разослан " "_2000 г

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат физико-математических наук Н.В. Каманина

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Исследования обращения волнового фронта (ОВФ) имеют большое значение для решения проблемы формирования мощного лазерного излучения с высокой направленностью и передачи его на большие расстояния. Особую ценность эти исследования приобрели с появлением и развитием электроионизационных (ЭИ) С02-лазеров, работающих в импульсно-периодическом режиме, и лазерно-оптических систем, создаваемых на их основе. Такие лазеры и лазерно-усилительные системы [Р-н!*]" требуют при реализации предельных энергетических характеристик (высоких энерговкладов, КПД и частот следования импульсов) использования методов коррекции искажений волнового фронта оптического излучения, возникающих вследствие аберраций оптических систем и неоднородностей активной среды [5*+9*].

К моменту начала работы, относящемуся к середине 80-х годов, наилучшие результаты в решении проблемы коррекции искажений в импульсных и импульсно-периодических фотоионизационных ТЕА-С02-лазерах с длительностью импульса т„<1 мкс были получены при обращенини волнового фронта (ОВФ) их излучения при вырожденном четырехволновом взаимодействии (ВЧВВ) в гексафториде серы S32Fe (элегазе) [10*]. Представляла интерес реализация подобных ОВФ зеркал применительно к электроионизационным (ЭИ) СОг-лазерам. Длительность импульса излучения этих лазеров составляет обычно десятки микросекунд [11*], а энергия в импульсе то же порядка, что и в TEA СОг-лазерах. Мгновенная мощность излучения лазеров с длинным импульсом значительно меньше, чем в режиме короткого импульса, что, при прочих равных условиях, приводит к снижению энергетической эффективности динамических голограмм, записываемых в нелинейной среде при ВЧВВ. Кроме того, ВЧВВ в элегазе в режиме длинного импульса накачки сопровождается, в отличие от режима короткого (длительностью т„<1 мкс) лазерного импульса, появлением ряда новых эффектов, в частности эффектов, вызванных значительным (свыше 1000 К0) нагревом газа в ОВФ кювете. Таким образом, при оптимизации ОВФ зеркала, работающего в режиме длинных импульсов, необходимо учитывать температурные изменения в течение импульса теплофизических и оптических характеристик элегаза, а именно, коэффициента поглощения, времени колебательно-поступательной (V-T) релаксации возбужденных молекул элегаза Тут, коэффициента преломления п, интенсивности насыщения Is.

Прим. 1) Здесь и далее помеченные звездочкой номера литературных ссылок относятся к списку цитированной литературы, а ссылки, не отмеченные звездочкой, к списку печатных работ автора диссертации.

з

Влияние всех этих эффектов на параметры ОВФ зеркала, проявляющееся при длительности лазерного импульса в десятки микросекунд, характерной для

■ ЭИ С02-лазеров, (обычно ти~10-г30 мкс), к моменту постановки данной работы не было исследовано, равно как и не было реализовано ОВФ излучения в лазерных импульсах большой длительности. Поэтому являлось весьма актуальным исследование возможности реализации ВЧВВ в элегазе излучения ЭИ СОг-лазера с длительностью импульса в десятки микросекунд, а также процессов, протекающих в этой среде. Важным для практического применения было также проведение исследований реакции ОВФ зеркала на быстрые

■ фазовые изменения волнового фронта сигнальной волны (инерционности отклика ОВФ зеркала) в течение импульса.

Создание непрерывных технологаческих СОглазеров с мощностью излучения, достигающей десятков киловатт [12*], потребовало проведения исследований по ОВФ коррекции непрерывного лазерного излучения с высокой мощностью. Однако ОВФ излучени* непрерывных СОглазеров было осуществлено при ВЧВВ в органических жидкостях с тепловой нелинейностью для плотности мощности накачек, не превышающих 50 Вт/см2 [13*], что не . позволяло применить разработанные методы в мощных лазерах. Поэтому представлялось . актуальным теоретическое исследование возможности реализации ОВФ излучения непрерывного СОг-лазера с плотностью мощности накачек 102-г103 Вт/см2 с высокой энергетической эффективностью. Такое - теоретическое исследование выполнено в данной работе для схемы ВЧВВ на объемной тепловой динамической голограмме, записываемой в движущихся поглощающих жидкостях и газах.

Цель работы.

Экспериментальное и теоретическое исследование возможности реализации обращения волнового фронта излучения мощных импульсных элеюроионизационных СОгпазеров, работающих в режиме длинного импульса, при вырожденном четырехволновом взаимодействии (ВЧВВ) в элегазе, а также излучения мощных непрерывных СОг-лазеров при ВЧВВ на объемных тепловых динамических голограммах, записываемых в движущихся средах (жидкостях и газах).

Научная новизна.

Практически все результаты проведенных с участием диссертанта экспериментальных исследований были получены впервые в мире.

Впервые для импульсов в десятки микросекунд реализовано ОВФ излучения мощного импульсного ЭИ СОг-лазера с энергетической эффективностью порядка 100% и высоким качеством обращения волнового

фронта сигнальной волны. В качестве механизма ОВФ использовалось вырожденное четырехволновое взаимодействия в элегазе (ЭИб). .

Впервые экспериментально зарегистрировано образование в среде ОВФ зеркала (БИб) тепловых динамических голограмм двух типов - решетки плотности и решетки поляризуемости. Ранее исследования ВЧВВ в БР6 в режиме длинного импульса не проводились.

Впервые разработана феноменологическая модель, учитывающая влияние тепловой релаксации на тегоюфизические и оптические параметры среды ОВФ зеркала, на ее основе проведена интерпретация экспериментальных данных.

Впервые экспериментально продемонстрировано влияние эффекта самодифракции взаимодействующих волн на инерционность отклика ОВФ зеркала на элегазе в режиме длинного импульса.

Впервые проведено численное моделирование стационарного процесса ВЧВВ на объемных тепловых динамических голограммах, записываемых в поглощающих средах с тепловой нелинейностью, движущихся в поперечном направлении относительно штрихов голограммы.

Практическая ценность.

ОВФ зеркало на основе четырехволнового взаимодействия излучения в элегазе позволяет осуществлять с высокой энергетической эффективностью и хорошим качеством коррекцию аберраций волнового фронта излучения импульсных и частотно-импульсных ЭИ С02-лазеров, работающих в режиме импульсов в десятки микросекунд. Использование подобных ОВФ зеркал позволяет существенно улучшить направленность излучения .ЭИ С02-лазеров с высокой средней мощностью [14*]. Результаты работы могут быть рекомендованы к использованию в лазерно-оптических системах, транспортирующих лазерную энергию на протяженных атмосферных и космических трассах, а также в лазерной технологии

Основные научные положения, выносимые на защиту.

1. При использовании элегаза в качестве нелинейной среды ОВФ зеркала на основе вырожденного четырехволнового взаимодействия излучения электроионизационного СОглазера, работающего в режиме длинного (с длительностью в десятки микросекунд) импульса накачки, возможна реализация обращения волнового фронта излучения с коэффициентом отражения порядка 100 %.

2. В режиме длинного импульса накачки основным механизмом нелинейности, обусловливающим четырехволновое взаимодействие излучения в элегазе, является температурная зависимость показателя преломления элегаза п(Т).

Отражение сигнала в этом режиме определяется тепловыми динамическими голограммами - решеткой плотности и решеткой поляризуемости.

3. Эффект самодифракции волн накачки приводит к перезаписи решетки показателя преломления и должен увеличивать инерционность ОВФ зеркала на элегазе при коэффициенте отражения порядка 100% 1

4. При вырожденном четырехволновом взаимодействии на элегазе в режиме длинного импульса накачки и записи голограммы двумя короткими (длительностью порядка единиц микросекунд) сигнальными импульсами с временным скачком фазы излучения в промежутке между импульсами, коррекция фазовых искажений волнового фронта сигнальной волны во втором импульсе может быть осуществлена при временном масштабе изменения фазы сигнальной волны порядка 5 мкс.

5. При реализации вырожденного четырехволнового взаимодействия лазерного излучения в среднем ИК диапазоне спектра на объемных тепловых динамических голограммах, записываемых в движущихся средах (поглощающих органических жидкостях), возможно достижение коэффициентов отражения ОВФ зеркала, превышающих 400%. Высокое качество ОВФ может быть достигнуто в этом режиме лишь при использовании адаптивных схем, корректирующих термическую линзу и клин, возникающие в среде ОВФ зеркала.

Апробация работы.

Результаты работы были представлены на Всесоюзных конференциях "ОВФ-86", "ОВФ-89" и IX конференции "Оптика лазеров". Основное содержание диссертации опубликовано в четырех печатных работах [1-4}.

Экспериментальные результаты по ОВФ излучения СОг-лазера, полученные автором в ГОИ на элекгроионизационном лазере с длительностью импульса порядка 20 мкс, легли в основу рекомендаций, выданных в НИИКИ ОЭП для проведения экспериментов по ОВФ ЭИ СОг-лазера в частотном режиме, а также использовались при проведении экспериментов на крупномасштабном ЭИ С02-лазере импульсно-периодического действия в ОКБ "Радуга".

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы. Она содержит 83 страницы, в том числе 27 рисунков. Список литературы включает 65 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дается краткая характеристика работы, формулируется ее цель, обосновывается актуальность диссертационной темы, отражается практическая ценность, научная новизна и структура диссертации.

В первой главе, являющейся литературным обзором, излагаются результаты исследований по ОВФ излучения СОг-лазеров. Проведенный анализ показывает эффективность схемы четырехволнового взаимодействия в средах с тепловой нелинейностью и выявляет проблемы, возникающие при реализации этой схемы. На основе анализа литературы формулируется цель диссертационной работы.

Во второй главе дается описание оптических схем и приводятся результаты экспериментов [1,2] со схемой ВЧВВ в элегазе в режиме длинного импульса накачки. В экспериментах использовался электроионизационный СОг-лазер атмосферного давления с длительностью импульса генерации Ти~20 мкс с плоским, дисперсионным резонатором длиной 8 м и энергией излучения -15 Дж. Распределение интенсивности по сечению лазерного пучка диаметром 3 см, было близко к колокообразному распределению, характерному для моды ТЕМоо плоского резонатора; расходимость излучения по уровню 0,8 полной энергии составляла 1,79ОТф (8д>1ф=2,44ХУё). В опытах была проведена многопараметрическая огггимизация коэффициента отражения Н<з ОВФ зеркала на основе ВЧВВ в элегазе, измеренного по соотношению энергии отраженной и падающей на кювету волн. Получены коэффициент отражения по энергии К<з«100% и коэффициент отражения по мощности Я\уя180% на линии генерации Р(10), а также Ко«40% и 11^60% на линии Р(20). Максимальная энергетическая эффективность отражения достигалась при оптимальном давлении элегаза р~0,1 атм в кювете длиной 1,3 см при угле схождения сигнальной волны и попутной волны накачки 0= 1,4°.

При распространении в нелинейной среде волн накачки вследствие нелинейного самовоздействия излучения в течение импульса (самофокусировки) может происходить искажение их волновых фронтов. Вследствие этого может нарушаться условие их сопряженности, выполнение которого необходимо для достижения высокого качества обращения волнового фронта сигнальной волны. Ранее для элегаза этот эффект -, был исследован авторами [15*],. в режиме короткого импульса (ти<1 мкс). Для оценки эффективности влияния этого эффекта на качество коррекции фазовых искажений, вносимых в волновой фронт сигнальной волны, в импульсе большой длительности автором в работе [2] на линиях Р(10) иР(20) измерялись энергетические диаграммы направленности излучения неискаженной сигнальной волны, а также сигнальной и отраженной волн, прошедших через аберратор, эквивалентный сферической линзе. На линии Р(10) в дифракционном угле 1,510'} рад, в котором содержалось 0,8 энергии

сигнальной волны, распространялось 0,7 энергии обращенной волны, таким образом качество ОВФ излучения составляло H=0,7/0,8=0,9. На линии Р(20) качество ОВФ излучения равнялось 0,8. Этот опыт показал возможность практического использования ОВФ зеркал на элегазе при работе в длинном импульсе.

Особенностью режима ОВФ длинных лазерных импульсов является образование в нелинейной среде тепловой решетки показателя преломления -динамической голограммы. Время ее образования т0 определяется временем VT-релаксации возбужденных молекул элегаза тут и временем пробега tn, за которое акустическая волна пробегает полупериод решетки и устанавливается пространственная модуляция плотности. При угле схождения 0=1,4° и давлении элегаза порядка 0,1 атм период решетки A=Xo/2nsin(8/2)«430 мкм, туг«1,6 мкс, tn »1,5 мкс. В данной работе образование решетки плотности в элегазе было установлено при просвечивании нелинейной среды ОВФ зеркала коллимированным пучком гелий-неонового лазера с регистрацией его излучения в нулевом и первом порядках дифракции. Для оптимальных условиях опытов, в которых реализуется максимальный коэффициент отражения, были определены временные параметры динамической голограммы - время ее записи ю~1 мкс, время достижения максимума дифракционной эффективности т„ ~4 мкс и время релаксации tp~5 мкс. Такие параметры ОВФ зеркала приемлемы для многих задач по коррекции искажений волнового фронта лазерного излучения в оптических трактах.

В третьей главе изложены основные результаты экспериментов и расчетов, на основании которых автором разработана феноменологическая модель процесса ОВФ длинных импульсов излучения С02-лазера в элегазе [4], определяемого тепловой релаксацией в нелинейной среде.

При ОВФ излучения на ВЧВВ в элегазе с длительностью лазерного импульса порядка десятков микросекунд, в отличие от режима короткого (ти<1 мкс) импульса, происходит значительный нагрев газа в ОВФ кювете,. Расчет показал, что'нагрев среды на -1000 К0 происходил в условиях экспериментов за время порядка 4 мкс от начала накачки, затем рост температуры существенно замедлялся. Такой ход температуры объясняется, очевидно, просветлением среды и уменьшением мощности накачки в течение импульса генерации ЭИ СОг-лазера, применявшегося в экспериментах [2].

При ВЧВВ на основе механизма нелинейности поглощения генерация обращенной волны наиболее эффективно осуществляется при интенсивностях волн накачек, сравнимых с интенсивностью насыщения нелинейной среды. Автором были выполнены измерения величины интенсивности насыщения Is для условий опытов [2], в которых было реализовано эффективное ОВФ в элегазе в режиме длинного импульса накачки. Для измерения интенсивности насыщения поглощения в элегазе на линиях генерации СОг-лазера Р(10) и Р(20) был поставлен следующий опыт [4]. Кювета со смесью элегаза с аргоном при

давлении 1 атм и отношении парциальных давлений P-/PAi-0,002/1 просвечивалась лазерным пучком длительностью 20 мкс с равномерным распределением интенсивности (I=const(r)). Интенсивность излучения выбиралась небольшой для устранения деформации контура полосы поглощения молекулы SF^ и не превышала 10 кВт/см2. Разбавление элегаза аргоном также устраняло температурную деформацию контура поглощения. По измереным значениям Is для указанной газовой смеси автором были оценены величины интенсивности насыщения элегаза при температуре Т=300 К0 для . оптимального по энергетической эффективности ОВФ зеркала давления элегаза р.~0,1 атм. Величина интенсивности насыщения составила Is =3,6±0,4 кВт/см2 для линии Р(20) и Is =18±6 кВт/смг для линии Р(10) излучения СОг- лазера.

Расчет температурной зависимости времени V-T релаксации tvt(T) показал, что тут быстро падает с ростом ростом температуры элегаза (на два порядка при, ДТ~1000 К0). Сечение поглощения элегаза сг также резко уменьшается с ростом температуры. Сопоставление временных зависимостей • T(t), с(Т) и tw(T) в течение импульса позволило сделать вывод о том,Что при ОВФ излучения с длительностью импульса t„>tvt, плотностью энергии ~1 Дж/см2 и давлении элегаза р~0,1 атм интенсивность насыщения возрастает на 3 порядка через 3^4 мкс после начала накачки. Вследствие этого дифракционная эффективность резонансной решетки показателя преломления, обусловленной насыщением поглощения, резко уменьшается, и ОВФ излучения происходит далее на тепловых динамических голограммах - решетках плотности и поляризуемости. На линии генерации Р(20), как показала оценка с использованием расчетной температурной зависимости коэффициента преломления элегаза, преобладающим является вклад решетки поляризуемости. ;

Для оценки вкладов в коэффициент отражения ОВФ зеркала решеток плотности и поляризуемости для элегаза была рассчитана температурная ' зависимость величины (п-1)/р, пропорциональной поляризуемости. При этом использовались данные о контуре полосы поглощения для линии Р(20) и 1 применялись соотношения Крамерса-Кронига для показателя преломления пи коэффициента поглощения. Рассчитанная по этим соотношениям функция (п-1 )/р резко убывала в начальной стадии нагрева среды, меняя при этом знак, и затем, пройдя через минимум, асимптотически стремилась к нулю при Т>700 К". Такой характер изменения поляризуемости должен приводить к уменьшению дифракционной эффективности тепловой тепловой динамической голограммы в течение импульса накачки.

Для экспериментальной оценки эффективности записи тепловых динамических голограмм в течение импульса накачки нелинейной среды кювета с элегазом длиной L=13 мм просвечивалась пучком излучения С02-лазера с одновременным измерением мощности излучения на входе (1о) и выходе (II) из кюветы. Коэффициент поглощения K(t) вычислялся из экспериментальных зависимостей I0(t) и It.(t) по формуле Бугера, т. е.

KOHníWü-L"1'. Анализ временных зависимостей коэффициента поглощения элегаза для линии генерации Р10) и линии Р(20) прибавлении р»50 мм.ртст. показал, что, несмотря на существенное отличие величины К(0) на этих линиях, при t>5 мкс от уачала накачки; коэффициент поглощения На обеих линиях составлял величину К~(0,3+0,5) см"', и на длине среды Ы13 мм поглощалось -25*40% мощности лазерного пучка. Таким образом, при ВЧВВ в элегазе тепловая динамическая голограмма записывается в течение всего импульса накачки. При четырехволновом взаимодействии излучения с длительностью импульса в десятки микросекунд непостоянное по сечению пучков накачки распределение интенсивности (в данном случае близкое к гауссову 1(г)~ехр(-г2/а2), где а - радиус пучка по уровню спада 1 в "е" раз) приводит к неравномерному тепловыделению. В третьей главе рассмотрен еще один механизм, который может определять, наряду с механизмом деформации тепловой динамической голограммы под действием возникающих в нелинейной среде градиентов давления [16*, 17*], временную зависимость дифракционной эффективности тепловой ДГ при длинном импульсе накачки, а именно, термодиссоциация элегаза. Термодиссоциация элегаза оказывает влияние на релаксацию решетки поляризуемости, уменьшая концентрацию возбужденных молекул.. Релаксация динамической голограммы, обусловленная термодиссоциацией молекул элегаза, должна начинаться (и в дальнейшем происходить наиболее эффективно) в центральной части области взаимодействия пучков и должна сопрвождаться деформацией решеток в элегазе. Подобная деформация штрихов тепловой решетки действительно наблюдалась на интерферограммах среды (SF6) авторами [16*]. Ее временной масштаб условиях опытов [16*], как следует из анализа интерферограмм, имеет величину порядка 4-х микросекунд. В типичных условиях опытов автора [2] при средней температуре среды Т-1400 К0, достигаемой к 6-ой микросекунде, температура в центре области взаимодействия пучков превышает для случая близкого к гауссову распределения интенсивности по поперечному сечению лазерного пучка 2000 К0. Как показывают оценки, характерное время термодиссоциаций при этом уменьшается до величины tts(2^4) мкс. Таким образом, термодиссоциация элегаза должна вносить существенный вклад в релаксацию динамической голограммы - решетки показателя преломления-

Как уже говорилось, температурная зависимость показателя преломления п(Т) при непостоянном по сечению лазерного пучка распределении интенсивности приводит к образованию динамической тепловой линзы, причем время ее формирования определяется временем V-T релаксации туг~ 1,5^-2 мкс. Увеличение угловой расходимости пучка накачки при прохождении кюветы с элегазом, отмеченное в опытах (см. гл.2, рис.2.5), обусловлено действием этой линзы. На основании расчетной зависимости п(Т) для линии Р(20) (см. гл.З) можно сделать предположение о том, что при совместном действии обоих пучков накачки, сопровождающимся ростом температуры среды до величин,

превышающих 700 К0, оптическая сила тепловой линзы стремится к нулю. Этим фактом объясняется, по-видимому, наблюдавшееся в опытах [2] достаточно высокое (0,8^-0,9) качество ОВФ излучения для ВЧВВ в элегазе, накачиваемом длинным лазерным импульсом.

В четвертой главе представлены результаты исследований, впервые показавшие влияние эффекта самодифракции волн накачки на инерционность ОВФ зеркала на элегазе, накачиваемого длинным лазерным импульсом [4]. При высокой, дифракционной эффективности тепловых динамических голограмм наблюдалось отсутствие падения отражения при прерывании сигнальной волны на линии Р(10) и лишь его незначительное (на 25%) снижение на линии Р(20). Этот факт позволил сделать заключение о том, что динамика процесса ОВФ определяется, наряду с тепловыделением в нелинейной среде, самодифракцией волн накачки. Перезапись динамических голограмм препятствует их релаксации и может снижать качество обращения при коэффициенте отражения ОВФ зеркала порядка 100% при быстрых изменениях волнового фронта сигнальной волны.

С целью оценки реакции ОВФ зеркала на быстрые фазовые изменения волнового фронта сигнальной волны автором в [3] исследовался отклик нелинейной среды на сигнальную волну с временным скачком фазы, представляющую собой два импульса длительностью 2,5 мкс по полувысоте с временной задержкой между ними т,~4 мкс и сбоем фазы излучения между импульсами. Длительность волн накачки, равная длительности импульса генерации электроионизационного СОг-лазера на линии Р(20), составляла по основанию 15 мкс. Из анализа экспериментальных временных зависимостей дифракционных зффективностей динамических голограмм, записываемых двумя сигнальными импульсами, была сделана оценка минимального временного масштаба корректируемых фазовых искажений волнового фронта сигнальной волны. Этот временной масштаб в условиях экспериментов составил величину порядка 5 мкс.

В пятой гларе приводятся результаты численного моделирования стационарного ВЧВВ в движущихся поглощающих жидкостях с тепловой нелинейностью и многопараметрической оптимизации ОВФ зеркала по максимуму коэффициента отражения [5]. Эта задача является актуальной в связи с необходимостью реализации ОВФ излучения мощных С02-лазеров с еще большей длительностью импульса или непрерывного излучения. Рассматривается схема стационарного четырехволнового взаимодействия на объемной динамической голограмме с нелокальным откликом, записываемой в поглощающей жидкости. Нелокальность отклика определялась прокачкой нелинейной среды вдоль плоскости сведения сигнальной волны и попутной волны накачки. Расчеты проводились на основе совместного решения укороченных волновых уравнений для медленно меняющихся комплексных амплитуд взаимодействующих электромагнитных полей и уравнений гидродинамики для жидкости с параметрами толуола, но с существенно

п

меньшим коэффициентом поглощения. Последний можно было варьировать в расчетах. Возможность такого подхода к оптимизации ОВФ зеркала мотивировалась тем, что все имеющие значение физические параметры органических жидкостей (кроме коэффициента поглощения), а именно, плотность, теплоемкость, теплопроводность и температурная нелинейность, имеют близкие значения.

При типичных параметрах нелинейных сред и малых углах сведения 0 сигнальной волны и попутной волной накачки в среде эффективно записывается только одна пропускающая динамическая голограмма - тепловая решетка плотности с периодом Л=Ло/2пзт(0/2), где п-показатель преломления и Хо-длина волны в вакууме.

При распространении волн накачки точно навстречу друг другу и ортогональности их поляризаций система уравнений для полей имеет вид, аналогичный [18*]:

£С 2

^Им'+лчк-т^*

аг 7.

V.

где А1, Аг, Аз, А» - комплексные амплитуды полей волны попутной накачки, встречной накачки, сигнальной и обращенной волн соответственно. Волны Аь Аз поляризованы перпендикулярно плоскости сведения, волны А2, А4 » в плоскости сведения, Ъ - продольная координата в направлении биссектрисы угла 0 между направлениями распространения сигнальной

<1п

. А.

волны и волны попутной накачки, у = !

4лп%

<ГГ

JCo$<р е'г- константа

нелинейной связи, - коэффициент тепловой нелинейности, <р - сдвиг

фааы между материальной и световой решетками, Хт - коэффициент теплопроводности, К- коэффициент поглощения в см"1

Запись уравнений в виде (1) с константой у, выражающейся через макроскопические параметры, позволила автору выполнить численное моделирование ВЧВВ на тепловой объемной динамической голограмме с нелокальным откликом. При решении многопараметрической задачи (изменении в широких пределах мощности волн накачки, угла их схождения и отношения мощностей сигнальной волны и попутной волны накачки, а также коэффициента поглощения нелинейной жидкости) были определены условия

шыта, при которых коэффициент отражения ОВФ зеркала имеет максимальное начение.

Было показано, что при записи объемной голограммы в движущейся кидкости возможно достижение коэффициента отражения И~400%. Таким |бразом, переход к объемной решетке с конвективным охлаждением в финципе позволяет повысить эффективность схемы ОВФ в несколько раз. )днако, как показывают оценки, в этом случае в среде формируются тепловой лин в несколько единиц градусов и тепловая линза с фокусом в десятки см, сложняющие обеспечение сопряженности опорных волн. Высокое качество )ВФ может быть достигнуто в этой схеме четырехволнового взаимодействия !ншь при использовании адаптивных схем, корректирующих термическую !инзу и клин, возникающие в среде ОВФ зеркала.

Расчеты показали, что реализация высоких коэффициентов отражения озможна в спектральной области Ао<5 мкм при использовании жидкостей с оэффициентами поглощения ~0,1-И),2 см"'. Реализация ВЧВВ излучения с ольшей длиной волны, например излучения СОглазера в нелинейной среде с елокальным откликом является сложной задачей вследствие высокого оглощения органических растворителей в этой области спектра.

Основные результаты и выводы

Основные результаты экспериментов и расчетов, выполненных в данной иссертационной работе, заключаются в следующем.

1. Впервые была показана возможность реализации обращения волнового >ронта излучения электроионизационного СОг-лазера с длительностью мпульса ти в десятки микросекунд.

При оптимизации условий опытов при ти~20 мкс были достигнуты оэффициенты отражения по мощности «180% и энергии Яд»100% на инии генерации Р(10), а также »60% и на линии Р(20), что

оказало возможность достижения высокой энергетической эффективности >ВФ зеркала на элегазе в режиме длинного импульса накачки. При внесении в игнальную волну статической аберрации процесс ОВФ осуществлялся с остаточно высоким (0.8-5-0,9) качеством обращения волнового фронта.

2. Автором было зарегистрировано возникновение в среде ОВФ зеркала а основе вырожденного четырехволнового взаимодействия в элегазе тепловой ешетки показателя преломления - динамической голограммы. Были пределены временные характеристики тепловой динамической голограммы в птимальных условиях опытов, реализующих высокий коэффициент отражения 'ВФ зеркала, - время ее формирования -I мкс, время нарастания до максимума «фракционной эффективности ~4 мкс и время ее релаксации ~5 мкс.

3. Впервые для излучения ЭИ СОг-лазера, работающего в режиме пинного импульса накачки, был определен относительный вклад в отражение

при ВЧВВ Ha элегазе двух механизмов нелинейности среды - резонансного и теплового. Основным механизмом нелинейности, на основе которого осуществляется четырехволновое взаимодействие в элегазе при длинном импульсе- накачки, является температурная зависимость показателя преломления элегаза п(Т).

4. Предложен термодиссоционный механизм релаксации решетки показателя преломления элегаза при ВЧВВ мощного лазерного излучения с колокообразным профилем интенсивности. Показано, что при длительности лазерного импульса ~20 мкс характерное время термодиссоциации SF6 уменьшается в течение импульса накачки до величины тт~2 мкс, т. о., термодиссоцйация должна вносить существенный вклад в релаксацию тепловых динамических голограмм.

5. Динамика отражения, наряду с тепловой релаксацией, определяется также эффектом самодифракции волн накачек на записываемой динамической голограмме. При коэффициенте отражения ОВФ зеркала порядка 100 % и высокой дифракционной эффективности динамической голограммы вследствие самодифракции волн накачки происходит ее перезапись, препятствующая релаксации динамической голограммы.

6. При вырожденном четырехволновом взаимодействии на элегазе в режиме длинного импульса накачки и записи голограммы двумя короткими (длительностью порядка единиц микросекунд) сигнальными импульсами с временным скачком фазы излучения между импульсами, коррекция фазовьк искажений волнового фронта во втором импульсе может быть осуществлена при временнбм масштабе изменения фазы сигнальной волны порядка 5 мкс.

7. Численное моделировании стационарного процесса ВЧВВ на объемной тепловой решетке в движущейся среде {поглощающей органической жидкости) показало, что для динамической голограммы, записываемой лазерным излучением в ближнем ИК диапазоне спектра (А < 5 мкм), возможно достижение коэффициента отражения по мощности более 400%. Однако тепловыделение в среде ОВФ зеркала, приводящее к образованию теплового клина и линзы, нарушает сопряженность волн накачек, что создает проблему реализации ОВФ • излучения мощных непрерывных лазеров среднего ИК диапазона с достаточно высоким качеством. Для решения этой проблемы необходимо использование адаптивных схем, корректирующих термическую линзу и клин, возникающие в среде ОВФ зеркала.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Бетин A.A., Зинченко В.И., Калинин В.П., Комин И.А., Соколов ВН., Чирков В.Н., Шерстобитов В.Е., Ячнев ИЛ. - Тр. Всесоюзной конф. "ОВФ-86", Минск, 1986, стр. 44

2. Бсткн A.A., Зинченко В.И., Калинин В.П., Комин И.А.. Соколов В Н., Чирков В.Н., Шерстобитов В.Е., Ячнев И.Л. Исследование ОВФ-ВЧВС излучения СОг-лазера с длительностью импульса 20 мкс - Сб. "Обращение волнового фронта лазерного излучения в нелинейных средах". Минск, Ин-т физики АН БССР, 1987, стр. 22-28

3. Димаков С.А., Калинин В.П., Соколов В.Н. Исследование временных характеристик отражения при ВЧВВ на SF^. - Сб. "Обращение волнового фронта лазерного излучения в нелинейных средах. Минск, Ин-т физики АН БССР, 1990, с. 79-81

4. Соколов В.Н., Зинченко В.И., Чирков В.Н. Тепловая решетка показателя преломления в ОВФ зеркале на элегазе S32Fô и изотопически замещенном элегазе S3^. - Опт. и спектр., 1990, т. 68, вып. 5, с. 1139-1142

5. Kuprenyuk V.l., Rodioiiov A.Yu,. Sokolov V.N. Numerical Simulation of Stationary Four-Wave Mixing (FWM) with Volumetric Thermal Gratings in the Muving Medium. - IX Conference on Laser Optics. Technical program, 1998, St. Petersburg, p. 60.

Цитированная литература

1 *. Туманов И.А., Бодакин Л.В., Манукян Г.Ш. И др. Электроионизационный СОз-лазер. Патент РФ, № 93015021/25

2*. Tumanov I.A. "Industrial Puls-periodic 10-kw C02 laser with EB-controlled longitudinal discharge" SPIE, 1994, v. 2257, p. 109

3*. Бабаев И.К., Бардаковский C.B., Блинов H.A., Булаев В.Д., Красовский В.М., Лозинский Ю,Н., Стацура А.Ю., Чебуркин Н.В., Щекотов O.E. Получение излучения с энергетической силой на уровне тераватт на стерадиан в импульсно-периодической электроионизационной СОг-системе задающий генератор - усилитель. - Квантовая электроника, 1991, т. 18, № 1, с. 6-7

Î*. Бабаев И.К., Бардаковский C.B., Блинов H.A., Булаев В.Д., Голышков А.Н., Горбачев Ю.П., Куряпин А.И., Красовский В.М., Лозинский Ю.Н., Пронин A.A., Рыбин В.М., Субботин A.A., Стацура А.Ю., Циганков В.М., Чебуркин Н.В., Щекотов O.E., Югов В.И. - Расходимость излучения электроионизационного СОг-усилителя атмосферного давления с длительностью импульса 30 мкс. . - Квантовая электроника, 1991, т. 18, № 1, с. 12-14

)*. Roper V.G., Lamberton Н.М., Parsell E.W., Manley A.W.J. Laser induced perturbation in a pulsed C02-laser. - Opt. Comms., 1978,v.25, N 2, p. 235-240

)*. Roberts S.A.., Lamberton H.M. Numerical predictions of phase distortions due a heating differential in a C02 laser discharge tube.- J. Phys D, 1980, v. 13 , p. 13831390

г*. Димаков СЛ., Ковальчук Л.В., Пельменев А.Г., Петров В.Ф., Родионов А.Ю., Трусов В.П., Шерстобитов В.Е., Яшуков В.П. Влияние тепловой

нелинейности на динамику излучения электроионизационного СОг-лазера с неустойчивым резонатором. - Квантовая электроника, 1987, т. 14, N 3, с. 466-476

8*. Зеленов Л.А., Курунов Р.Ф., Смирнов В.Г. Экспериментальное исследование газодинамических процессов в объемном несамостоятельном разряде СО}-лазера методом голографической интерферометрии. -Препринт К-0602 НИИ ЭФА, 1983, Л., с.5 9*. Шерстобитов В.Е. Угловая расходимость излучения проточных газовых

^ лазеров. Изв. АН СССР, сер. физ., 1982,t.46,N 10, 1905-1914 10*. Горячкин Д А., Калинин В.П., Комин И.А., Петрова И.М., Романов H.A. Эффективное вырожденное четырехволновое взаимодействие в SF6-Оптика и спектроскопия, 1983, т. 55, вып.6,1089-1091 11 *. Данилычев В.А., Ковш И.Б., Соболев В.А. Оптимизация режимов работы импульсных электроионизационных лазеров на С02. - Труды ФИАН СССР, 1980, т. 116, с. 98-117 12*. Технологические лазеры, 1991, т.1, М., "Машиностроение", с. 128-173 13*. Климентьев С.И., Кононов В.В., Купренюк В.И., Сергеев В.В. Оптимизация условий четырехволнового взаимодействия в поглощающей средс. - Квантовая электроника, 1989, т. 16, с.586-589 14*. Sherstobitov V.E., Ageichik A.A., Bulaev V.D., Dimakov S.A., Gerke M.N., Goryachkin D.A., Kalinin V P., Koval' l, Paryshev E.N., Rezunkov Yu.A, Romanov N.A., Stepanov V.V., Zemlyanykh V.V. Phase conjugation in highpower E-beam-sustained C02 laser. - Proc. of SPIE, 12/1992, vol. 1841. p. 135145

15* Горячкин Д.А., Калинин В.П., Козловская И.М., Шерстобитов В.Е. Влияние самофокусировки на качество ОВФ излучения СОглазера в гексафториде серы. - Оптика и спектр, 1989, т. 67, вып.1, с. 200-205 16* Карнаухов Н.В., Резунков Ю.А., Степанов В.В.. Мелкомасштабные неоднородности плотности при параметрическом взаимодействии излучения с газовыми средами. Квантовая электроника, 1989, т. 16, № 9, с. 1931-1935

17*. Агейчик A.A., Резунков Ю.А., Степанов В.В. Исследование инерционности тепловых ДГ в "S!\ при четырехволновом взаимодействии излучения импульсного С02-лазера. Квантовая электроника, 1993, т.20, №1, с. 84-88 18*. Cronin-Colomb М., Fisher В., White J.O., Yariv A. Theory and application of four wave mixing in photorefractive media. - IEEE J. of Quantum Electron., 1984, v.QE-20, № l,p. 12-29