Разработка и исследование оптической системы йодной лазерной установки "Искра-5" тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.01 ВАК РФ

I.. >

и~1

-/каинит

РОССИЙСКИЙ Ф]даАДЬНЫЙ ЯДЕРНЫЙ ВДНГР

ВШЮССИЙСИЙI ШУЧНО-ИССЩЦОШЕЛЬСтаЙ ИНСГШУГ ЭКСПШШЕЕГГАЛЬШЙ ФЮ1Ш1

На правах рукописи

УДК 621.373.826+681.7 535.317.811

Львов Лев Викторович

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ОПТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ ЙОДНОЙ ЛАЗЕРНОЙ УСТАНОВКИ "Г/СКРА-5"

Спмшгтъностъ: 01.04.01 -Техника физического эксперимента, физика приборов-, атстсм^лпации физических исследований.

Автореферат диссертации »а соискание ученой степени кандидата ф илик э-мзч ематичеста« наук

ПНШ1ЭФ - 1995

Работа вхлюлнина в Вмроссжйс*«»м. :«1аучч;о-исследовато.'токсш: ияеппуга ассперимоиганыюй фм/ии

Научный руководит*ль: цохтор фкзш^о-^темгтаччал

Официальные оппоненты: > ,

доктор технических тух, профессор В АЗвергз кандидат фкзяко математических наук В.Б.Бсролков

Ведущая организация -

Ленинградское олтгасс-мехагмческое .

Защита диссертации спс.югкя'%"__1995 :

в" " часов на заиьдаьтаг Слетга.шг,.ропаннсго Сон?^. ССК :124102.02 Всероссийдюго туадочюследоъ&тельсксго института экспериментальной фшнхи

С диссертатхлей ышю • ошшздпгггсг-з ййОтктгл >шсллу7г..

, тук, профессор ГАКиртап:

Автореферат разослан "¿0"

№ г.

Ученый секретарь Скеш-^лизиройишого; Созда

при РФЯЦ - ВНИЙЭФ

доктор физико-математических на^тс

. Б.Л.Ворсин:

РФЯЦ-ВНИИЭФ - 1995

'ИР ш

Министерство Российской Федерации по атомной энергии

российский федеральный

I Российская книжная палата

119816, Москва, Кремлевская наб.1/9 —„«„т.^ ,,—--------------^"^-"отека

ядерный центр

Всероссийский научно-исследовательский

институт экспериментальной физики

Российская национальная библиотека 191011, Санкт-Петербург, ул.Садовая,18

¿У/6/

Государственная публичная научно-техническая библиотека России 103031, Москва, Кузнецкий мост, 12

На №

от

Всероссийский институт научной и технической информации 125219, Москва, ул.Усиевича, 20а

Го" направлении автореферата! диссертации Львова ЛГВ.

Всероссийский научно-технический

информационный центр

125493, Москва, ул.Смольная, 14

Диссертационный совет ССК 124.02.02 в Российском Федеральном Ядерном центре - ВНИИЭФ направляет в Ваш адрес автореферат диссертации Львова на тему:"Разработка и исследование оптической системы йодной лазерной установки "Искра-5", представленной к защите на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.01 - техника физические эксперимента, физика приборов, ав т ома т и зация фи зич е с ких ис сл едований.

Приложение: Только в адрес -I бр. несекретно.

Предеодатель диссертационного

J

1279-92

Общая характеристика работы.

Диссертация посвящена разработке оптической системы и исследованию формы волнового фронта лазерного излучения мощной многоканальной установки "Искра-5" для исследований по проблеме лазерного термоядерного синтеза (JITC).

Актуальность работы.

Фотодиссоционные йодные лазеры (ФДЛ) для исследований по JTTC обладают рядом достоинств. К ним относятся:

-возможность достаточно однородной прокачки больших объемов рабочего вещества и, следовательно, достижения значительной энергии лазерного излучения (ЛИ) в одном пучке;

-высокая оптическая однородность рабочей среды, позволяющая получить малую расходимость излучения;

-меньшие ограничения, связанные с лучевой прочностью среды (самофокусировка и т.п.), что позволяет увеличить мощность лазера в несколько раз, практически не снижая энергии ЛИ.

Однако реализация достоинств ФДЛ требует значительных усилий, одно из которых связано с разработкой оптической системы (ОС) лазерной установки, в значительной мере определяющем характеристики излучения, взаимодействующего с мишенью. Установки для ЛТС дороги, создание их занимает значительное время, затруднительно изготовление действующих макетов. Поэтому особенно актуален предварительный анализ ОС с детальным исследованием их возможностей и способов улучшения параметров.

Цели и задачи работы.

Основной целью данной работы является оптимизация и исследование ОС йодного лазера "Искра-5" с энергией 30 кДж, мощностью более 100 ТВт и расходимостью менее 1СИ рад для высокоингенсинного и однородного облучения различных типов мишеней. Такой лазер имеет ряд специфических особенностей: значительную длину усилительных каскадов и, следовательно, оптического тракта (250 м); большой диаметр выходных усилителей и оптических элементов (700 мм и более); высокий коэффициент усиления для слабого сигнала активной среды (Ко > 100), обостряющий проблему исключения самовозбуждения усилителей (СВ); многоканальность.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие основные задачи:

-определить требования к пространственным характеристикам ЛИ, фокусируемого на мишень в исследованиях по проблеме ЛТС;

-провести анализ схем установок для исследований по ЛТС, на основании которого разработать ОС, позволяющую получить требуемые параметры ЛИ установки "Искра-5";

-исследовать влияние оптических элементов тракта на возбуждение усилительных каскадов с целью обеспечения их устойчивости;

-для получения расходимости ЛИ менее 10"4 рад разработать принципы компенсации искажений нецентрированной ОС на основании их аберрационного расчета;

-определить влияние погрешностей изготовления и юстировки оптических элементов тракта на качество пучка, найти способы минимизации возникающих аберраций;

-на основаниии численного моделирования юстировки оптического тракта исследовать различные режимы наведения лазерных пучков на мишень с целью обеспечения необходимой точности наведения;

-разработать фокусирующие системы (ФС) для обеспечения высокой интенсивности (более 1015 Вт/см ) и минимальной неоднородности (менее 10%) облучения сферических микромишеней;

-для проведения исследований физических основ рентгеновских лазеров разработать системы фокусировки излучения в отрезок;

-разработать оптические схемы для регистрации параметров ЛИ с целью их оптимизации;

-провести исследования формы волнового фронта, формируемого ОС усилительных каскадов.

Научная новизна работы заключается в следующем: -проведено расчетное исследование однородности облучения сферической мишени в 12-ти пучковой несимметричной схеме, позволившее определить требования к пространственным параметрам излучения, фокусируемого на мишень; показана возможность симметричного облучения мишени с обращенной короной излучением 12- ти пучковой установки;

-разработана оптическая система многоканальной лазерной установки "Искра-5", параметры излучения которой: энергия 30 кДж, мощность 120 ТВт и расходимость 5 • Ю-5 рад,

-разработан и изготовлен ахроматический объектив диаметром 700 мм, с фокусным расстоянием 1100 мм и кружком рассеяния 10 мкм, позволивший провести облучение различных типов мишеней;

-проведена адаптация метода Гартманна для исследования формы волнового фронта мощных инфракрасных лазеров с целью оптимизации их параметров;

-предложен способ фокусировки лазерного излучения в отрезок с использованием сферической оптики.

Практическая значимость настоящей работы заключается в следующем:

-показана возможность создания широкоапертурных децентрированных оптических систем многоканальных мощных лазерных установок с аберрациями, близкими к дифракционному пределу;

-разработан пакет программ, позволяющий: проводить аберрационный расчет широкого класса оптических систем, определять лучевую нагрузку их элементов, моделировать волновой фронт ЛИ, проводить расчет освещенности сферических мишеней в оптгасо- геометрическом приближении;

-разработана методика численного моделирования юстировки оптических систем установок для ЛТС с целью определения оптимального алгоритма наведения излучения на мишень;

-определены пути создания фокусирующих систем для высокоинтенсивного облучения мишеней различного типа;

-разработана методика исследования формы волнового фронта мощных лазеров с целью оптимизации их параметров.

Личный вклад автора в представленную работу выразился:

-в непосредственном творческом участии в разработке оптической системы установки "Искра-5' и схем для измерения параметров лазерного излучения;

-в проведении расчетных исследований, направленных на оптимизацию оптической системы тракта, различных фокусирующих систем, согласование системы лазер-мишень;

-в непосредственном участии в экспериментальных исследованиях оптической системы усилительных каналов и оптических систем измерения параметров лазерного излучения, анализе и обсуждении полученных экспериментальных данных.

Апробация работы.

Основные результаты работы докладывались на VI и VII конференциях "Оптика лазеров", г.Ленинград, 1990, 1993 гг., научных семинарах ВНИИЭФ.

По результатам исследований выпущено 30 отчетов ВНИИЭФ, опубликовано 11 статей, получено 3 авторских свидетельства.

Из представленных в диссертации результатов автор выносит на защиту следующие положения:

1. Результаты разработки и расчетных исследований децентрированной оптической системы мощной многоканальной лазерной установки "Искра-5", в которой при повороте линз на углы, обеспечивающие устойчивость усилителей от самовозбуждения, угловые аберрации не превышают 1.5* 10~5 рад и сохраняется круглый выходной зрачок оптической системы.

2. Результаты разработки и оптимизации ахроматического (для длин волн X = 1.315 мкм и X = 0.66 мкм) зеркально-линзового обьектива диаметром 700 мм с фокусным расстоянием 1100 мм, имеющего кружок рассеяния 10 мкм и исправленное поле зрения 10', позволяющего управлять освещенностью поверхности мишени и компенсировать сферическую аберрацию оптической системы тракта.

3. Результаты экспериментальных исследований аберраций оптической системы и формы волнового фронта излучения установки "Искра-5" диаметром 700 мм, проведенных адаптированным методом Гартманна и интерферометром бокового сдвига, показавшие,.что угловые аберрации системы тракта могут быть снижены до (1-2) • 10"5 рад, а расходимость излучения составляет 3 • 10~5 рад (по уровню 80% энергии).

Объем и структура.

Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, изложенных на 129 страницах. Кроме того диссертация содержит 36 страниц рисунков, 4 страницы таблиц и 1& страниц списка литературы, включающего 154 наименования работ.

Содержание работы.

Во введении обоснована актуальность и определена цель диссертационной работы, сформулированы научная новизна, практическая ценность полученных результатов и основные положения, выносимые на защиту, приведен обзор исследований, связанных с разработкой ОС установок для ЛТС.

В первой главе диссертации определены требования к параметрам ЛИ и допустимым аберрациям ОС, позволяющие обеспечить равномерное облучение сферических мишеней. Для этого были проведены расчеты однородности облучения сферических мишеней 12-ю пучками. В расчетах определялась величина неоднородности освещенности по поверхности мишени - о1 = (1гпах - 1гшп)/1тах. Расчеты проводились для распределений вида г) = 1 ("полочка?), 1(г) = ехр[-(г/1Юп» А = 2, 3, 4, 10, где ЯО - радиус пучка г, на котором интенсивность излучения падает в е раз.

Учитывалась эффективность, поглощения излучения плазмой g от угла падения цх эмпирической зависимостью В = 1 - ехр(-2рсо5чОв. где р - оптическая толщина, В = 2, 3, 5. Показано, что при фокусировке в точку гауссовых и супергауссовых пучков с оптимальным распределением излучения в выходном зрачке может быть достигнута неоднородность облучения мишени < 10%.

Были проведены исследования влияния аберраций ВФ на распределение излучения в фокальном объеме и на поверхности мишени. Расчеты выполнены для разработанного автором зеркально- линзового объектива, сферические аберрации которого зависят от расстояния между линзами корректора. Получены распределения освещенности на сфере радиусом Rm = 0.15 мм для различных значений продольной сферической аберрации 6s и распределения I(r) = const. При отрицательной сферической аберрации наблюдается снижение интенсивности в осевой зоне, при положительной - получаем распределение, приближающееся к оптимальному. Поглощение излучения плазмой несколько выравнивает освещенность и повышает однородность облучения при небольших значениях аберраций.

Допустимая продольная сферическая аберрация для достижения неоднородности облучения 10% - os < 0.3'Rm, поперечная аберрация Sg = 5s • sino, а радиус минимального кружка рассеяния для апертуры sino = 0.33 -ро = 0.25 • 5g = 0.025 • Rm (4 мхм для Rm = 0.15 мкм).

Определены требования к точности наведения излучения на мишень. Для мишени радиусом 0.15 мм точность продольного наведения 10 мкм, поперечного 5 мкм. Однородность облучения может быть повышена смещением пятен по поверхности мишени без их искажений, для чего требуется исправленное поле объектива.

Опыт работ по облучению мишеней различных типов на установке "Искра-4" давал основание считать, что первые эксперименты на установке "Искра-5" целесообразно начинать с термоядерными мишенями с обращенной короной (МОК), в которых излучение вводится внутрь полости. Были проведены расчеты, показавшие возможность симметричного облучения мишени МОК при вводе двенадцати пучков в 6 отверстий, определены их координаты. Для наклонного ввода излучения требуется исправленное поле объектива около 1.5* 10~3 рад.

Вторая глава посвящена результатам разработки ОС тракта установки "Искра- 5".

Для обеспечения равномерного и высокоинтенсивного облучения мишеней установка состоит из двенадцати каналов, расположенных на четырех этажах специально спроектированного здания. Излучение задающего генератора (ЗГ) после прохождения трех предварительных каскадов усиления и усилителя УО поступает на систему светоделения, где делится на двенадцать энергетически равных пучков'. Система светоделения состоит из зеркальных светоделителей с различными коэффициентами пропускания. Схема построения каналов установки выбрана параллельной. Каждый канал состоит из пяти последовательно расположенных усилительных каскадов диаметром 35. 80, 190, 350 и 680 мм. Согласование их световых диаметров осуществляется с помощью линзовых телескопических систем.

Для обеспечения высокой яркости и мощности излучения используются пространственная фильтрация (постановка диафрагм в сопряженных фокусах линз) и трансляция изображения диафрагмы на выходе ЗГ в срединные сечения усилителей. Расстояния .между линзаш! в параллельном ходе равны сумме их фокусных расстояний. Для достижения высокого контраста ЛИ в качестве пассивных затворов используются жидкостные фильтры на основе просветляющихся красителей. Длина канала около 250 м, число оптических поверхностей в нем более 100. Волновые аберрации схемы и U и угловые я 10"5 рад.

Для достижения высокой мощности и контрастности излучения необходимо исключить самовозбуждение (СВ) усилителей, одной из причин которого является отражение излучения от оптических элементов схемы и мишени в апертуру усилителей. С целью резкого снижения энергии этих сигналов используются просветление поверхностей линз и наклон плоских деталей, удаление оптики от усилителей и т.д. Было проведено исследование влияния формы линз на вероятность СВ усилителей.

Для отсутствия возбуждения усилителя должно выполняться неравенство - Ко2- ri -ь -т/М2 < 1, здесь г -коэффициенты отражения зеркал, М - коэффициент поперечного расширения пучка при прохождении между зеркалами в неустойчивом резонаторе, т - пропускание ОС.

Показано, что плосконьшуклые линзы могут образовать устойчивый резонатор, для которого М .= 1 и rj гг < 1/Ко2 (-с = 1). У йодных усилителей установки "Искра-5" Ко и 100, следовательно, для отсутствия возбуждения коэффициент отражения поверхностей линз должен быть меньше 1%. Для Ко и 1000 - допустимый г < 0.1%, что трудно осуществимо.

Двояковыпуклые линзы образуют неустойчивые резонаторы. Для усилителя УЗ самый опасный для возбуждения -образованный внешними поверхностями линз: М = 5.72. При Ко = 100 допустимый коэффициент отражения г = 5,7%, то есть усилитель не должен возбуждаться даже при отсутствии эффективного просветления. Но при Ко « 1000 - допустимый г = 0.5% и существует опасность возбуждения усилителя.

Усилители У0, У1, У2, У21 находятся в аналогичных условиях и возбуждение их на поверхностях двояковыпуклых линз маловероятно.

Усилитель У4 расположен между линзой Л12 и фокусирующим объективом. Наиболее опасными для его возбуждения являются первая поверхность положительной линзы компенсатора и эквивалентный радиус при отражении от сферического зеркала.

При отражении от зеркала - М = 86, эффективный коэффициент отражения зеркала гг = 0.9, тогда допустимый ri = 82% (для Ко = 100) при реальном ri = < 4%. (Для

Ко = 1000 - rj = 0.8%, для Ко = 2000 - rj = 0.2%, т.е. усилитель У4 может возбуждаться).

Проведенные эксперименты показали устойчивость установки при центрированных двояковыпуклых линзах. При работе с мишенью потребовались дополнительные меры: полирование диафрагмы развязки РЗ, поворот линзы Л12, снижение Ко усилителя У4.

Радикальным средством для исключения возбуждения усилителей на рефлексах от линз является их поворот. Возбуждение усилителей будет отсутствовать, если отраженное излучение совсем не будет попадать в усилитель. Это будет выполняться, когда все нормали к поверхностям линзы лежат за пределами усилителя. При этом угол поворота линзы -

Я = Ц/(2г) Б/а} , где О - диаметр линзы, г - радиус ее поверхности, а - расстояние между линзой и усилителем. Это условие очень жесткое и, по-видимому, чрезмерное. Возбуждение может отсутствовать, если не будет двух полных проходов излучения через усилитель. Коэффициент усиления Ко дается для полной длины активной среды 1. Поэтому - уг = ОД2т) т БД а! 4- 1). Для возникновения устойчивых колебаний в резонаторе необходимо более двух отражений или более двух проходов между линзами. Тогда выражение для угла поворота линзы, приводящего к срыву генерации, примет вид - чз = Б/(2г) + ЭДа] + 1 + а2).

В пусковых экспериментах установки "Исхра-5" на выходе канала стояла непросветленная измерительная линза ЛИ1 с f = 31500 мм. Для исключения возбуждения усилителя У4 она поворачивалась на углы 71 , при этом усилитель не возбуждался даже, при Ко до 2300.

Итак, определены утлы поворотов линз, обеспечивающие устойчивость усилителей от возбуждения. Проведенные расчета показали, что при таких поворотах плоско-выпуклых линз возникают недопустимые аберрации - астигматизм и кома. Компенсация астигматизма достигается поворотом линз телескопических систем во взаимно-перпендикулярных плоскостях. Для устранения комы рассчитаны двояковыпуклые линзы. Однако, при значительных углах поворотов лшз выходной зрачок ОС становится эллиптичным, что приводит к снижению энергии излучения. Была определена совокупность поворотов, обеспечивающая сохранение круглого сечения пучка на выходе установки. Рассчитана децентрированная схема с угловыми аберрациями 10"5 рад.

Для проведения аберрационных расчетов пространственных оптических систем с числом поверхностей до 200 разработаны пакеты специализированных программ для ЭВМ БЭСМ-6, СМ и ЕС, в которых можно задавать пучок лучей конечной расходимости, аппроксимируемой аберрацией волнового фронта. Поверхность изображения может быть сферической (мишень). Тогда распределение плотности энергии по сфере вычисляется с учетом зависимости поглощения ЛИ плазмой от угла падения. Комплекс программ в диалоговом режиме хорошо адаптирован для ведения юстировочных расчетов. Имеется подпрограмма

"Подгонка", позволяющая находить углы поворотов зеркал, необходимых для попадания в заданную точку ОС. Для расчета вероятности разрушения оптических элементов на бликах разработана программа, учитывающая Френелевские отражения поляризованного излучения...

Исследовано влияние элементов ОС на ее аберрации. Определены довольно свободные допуски на точность выставления линз тракта - (продольного 10 мм, поперечного - < 1 мм), не приводящие к искажению пучка. Точность поворота линз 30' для центрированного варианта и 2'-3' для д ецентрированног о.

Существенное влияние на аберрации лучка оказывают погрешности изготовления зеркал тракта. Аберрационные расчеты показали а эксперименты подтвердили, что они могут быть скомпенсированы поворотом линз, т.е. оптимальной юстировкой ОС. Дефокусировка, вызванная погрешностью юстировки и изготовления оптических деталей может быть устранена перемещением линзы Л12 или первой линзы объектива.

Приведены результаты численного моделирования юстировки элементов ОС установи!. Проведен анализ влияния их смещений и поворотов на точность наведения излучения на мишень. Показано, что небольшие разъюстировки элементов вызывают недопустимые смещения пучка на выходе канала и рассогласование юстировочного и "рабочего" пучков. Автоматическое наведение при контроле в визирах, настроенных на плоскость диафрагм пространственных фильтров, требует стабильности положения линз менее 0.1 мм.

Разработанное ручное наведение по системе реперов на поворотных зеркалах обладает значительными компенсационными возможностями - легко достигаемое центрирование линз с точностью 1 мм позволяет обеспечить поперечное наведение на мишень « 10 мкм. С помощью разработанной методики наведения проводятся облучательные эксперименты.

В результате проведенной работы разработана ОСТ, позволяющая получить расходимость излучения (1-2) • 10~5 рад, а суммарный кружок рассеяния в объективе с 1 = 1100 мм составляет 12 мкм.

В третьей главе приведены результаты разработки фокусирующих систем (ФС) установок "Искра-4" и "Искра-5'. Проведен анализ требований, предъявляемых к ФС установок для ЛТС (большая светосила, малые аберрации, исключение возбуждения усилителей, высокая лучевая прочность, ахроматизация и пр.).

Анализируются возможности линзовых, зеркальных и комбинированных зеркально-линзовых объективов. Показано, что светосильные линзовые объективы должны быть двухкомпонентными с асферической поверхностью высших порядков. Приведены результаты разработки линзовых объективов для установки "Искра-4". Рассматривается возможный вариант создания линзового объектива для установки "Искра-5'.

Высокое качество облучения в системах с большим диаметром может бьпъ достигнуто с помощью зеркально-линзовых объективов со сферическими поверхностями. Разработан объектив с тонким афокальным компенсатором для установки "Искра-4".

В качестве основного для установки "Искра-5" используется зеркально-линзовый объектив с телескопическим компенсатором. С целью выполнения требований к ФС, полученных в главе 1, проведена его оптимизация. Аберрационный расчет проводился по алгебраическому методу, разработанном)' Слюсаревым Г.Г. с последующей доводкой на ЭВМ. При нулевых толщинах линз, приравнивая нулю Зейделевы суммы Бх, Бц, ЗБ^ (устранение сферической аберрации, комы, хроматизма), имеем три уравнешш:

Г Р1 + Р2 + Р3 = О

У1 Р1 + У2 Р2 + Уз Рз + 4- Щ + У/3 = О

V] - \>2 Г = О

где Г - увеличение телескопической системы, V = (п-1)/оп -относительная частная дисперсия, у - высоты второго вспомогательного луча на компонентах, Р и XV - коэффициенты аберраций.

Для устранения хроматизма первая линза корректора выполнена из стекла К108, вторая - из Ф101, Г = 1.3.

Решая совместно систему уравнений, получаем первое приближение радиусов кривизны поверхностей линз. Изменением значений радиусов и воздушных промежутков устраняются аберрации высших порядков и сферохроматизм. Форма линз и значения воздушных промежутков выбраны такими, чтобы исключить возможность разрушения объектива и элементов оптической схемы отраженным излучением и исключить возбуждение последнего усилителя.

В результате рассчитан объектив диаметром 700 мм, с фокусным расстоянием { - 1100 мм, ахроматизированный для длин волн 1.315 мкм и 0.659 мкм (для Х- 0.63 мкм смещение минимального кружка и 100 мкм). Кружок рассеяния для Я = 1.315 мкм около 5 мкм, для % = 0.659 мкм - 12 мкм. Характер исправления аберраций позволяет обеспечить однородное облучение сферической мишени. Перемещение первой линзы корректора позволяет менять, значение сферической аберрации, компенсировать аберрацию предшествующей ОС тракта и тем самым создавать оптимальную для равномерного облучения сферической микромишени форму ВФ.

Исправленное поле зрения объектива около 10'. кружок рассеяния практически не увеличивается и не деформируется. Для наклона пучка на 30' кружок рассеяния возрастает только до 40 мкм из-за астигматизма.

Объективы изготовлены на ЛОМО и прокошролированы на интерферометре Тваймана-Грина. их качество близко к расчетному: около 90% энергии излучения сосредоточено в кружке диаметром 10 мкм. Была проведена фоторегистрация кружка рассеяния объектива в автоколлимационном режиме с увеличением 600 раз. Фотометрирование с последующим пересчетом в фокальную плоскость показало, что в кружке диаметром 10 мкм сосредоточено 86% энергии, в кружке 16 мкм -практически 100%. Объективы собраны и отъюстированы на вакуумной камере. Проводятся облучательлые эксперименты.

Для исследований физических основ рентгеновских лазеров необходимо иметь ОС, фокусирующую лазерный пучок в отрезок с высоким отношением сторон. Длина отрезка должна меняться в широких пределах - от единиц до десятков миллиметров. Ширина отрезка - стремиться к дифракционному пределу или размеру, ограниченному расходимостью излучения, т.е. лежать в пределах от единиц до десятков мкм в зависимости от диаметра пучка и габаритов ОС.

Для фокусировки излучения в отрезок используют устройства, состоящие из объектива и цилиндрической или торической линз, что сложно, дорого и не всегда может обеспечить высокое качество фокусировки. Было предложено использовать поворот сферического зеркала для фокусировки излучения в отрезок, а возникающую при этом кому, компенсировать поворотом дополнительного фокусирующего элемента, при этом его коэффициент комы и углы поворотов элементов связаны определенным соотношением.

С целью упрощения управлением длины и ориентации сфокусированного отрезка и повышения качества фокусировки было предложено устройство, в котором между положительной линзой и сферическим зеркалом установлена отрицательная линза, образующая с первой телескопическую систему и имеющая возможность поворота.

На установке "Искра-4" была собрана такая схема с фокусным расстоянием 4500 мм. Для пучка Не-Ке лазера диаметром 420 мм лолучшш длину отрезка 1 = 12 мм и ширину около 100 мкм с учетом расходимости. Проведены модельные эксперименты: излучение с энергией 1 кДж сфокусировано в отрезок длиной 12 мм и шириной 0.2 мм.

На установке "Искра-5" получить фокусировку в отрезок можно ь центрированном объективе и повернутой на значительный угол последней линзе канала. Расчеты показали, что при повороте ее на угол 24° длина отрезка 1 = 8.6 мм, а ширина 1 = 0.0? мм; для утла 30° получим 1 - 14 мм, 1 = О.СИ мм. При изменении плоскости поворота линзы будет происходить вращение астигматического отрезка. Возможно проведение облучательных экспериментов на существующей камере.

В четвертой главе приведены результаты исследования формы волнового фронта (ВФ), формируемого ОС установки "Искра-5", и результаты первых облучательных экспериментов с различными типами мишеней.

На стадии монтажа и юстировки ОС тракта контролт качества отдельных участков проводился в автоколлимадионнозн режиме. Осуществлялась диагностика методом "фокальногс пятна", а также при помощи интерферометра Физо. В широки* пучках Не-Ке лазера исследовалось качество окон усилителей У-и У4. По изучению теневой картины были обнаружены свили, имеющие меньшую лучевую прочность и вызывающие дополнительную лучевую нагрузку на линзах обьектива за сче1 перераспределения энергии излучения. Для снижения нагрузки выходные окна были взяты более однородными, они ориентировались так, чтобы свили приходились на участок экранируемый источником накачки.

Разработаны оптические схемы для измерения параметры ЛИ, аберрационные расчеты показали высокое качество регистрации распределения излучения (угловые аберрацш! порядка 106 рад). Погрешности изготовления зеркал, пластин и гсшньев измерительных схем оказывают малое влияние нэ качество регистрации. При просвечивании ОС тракта излучением Не-№ лазера ее угловые аберрации (расходимость) составили 1.2 • 10~5рад (80% энергии).

С помощью этих схем проведены исследования расходимости излучения как внутри каналов, так и на выходе При энергии излучения на выходе канала 2.5 кДж (30 кДж всей установки) его расходимость 6 • 10"5 рад. Снижение давления рабочего вещества позволило повысить равномерносп распределения излучения по сечению пучка. Расходимосп излучения уменьшилась до 3 • 10*5 рад (энергия снизилась дс ВДж).

В традиционном методе "фокального пятна" затруднено разложение аберраций ВФ на составляющие с целью ш последующей компенсации. Информация о форме ВФ былг получена с использованием интерферометра бокового сдвига и метода Гартманна.

В интерферометре бокового сдвига с плоскопараллельной пластиной нет эталонной ветви и, следовательно, нет эталонного ВФ, слабое влияние оказывают вибрации и турбулентность атмосферы. Разработана методика получения интерферограмм и их расшифровки. Проведен контроль отдельных участков и всей ОС. На выходе усилителя У2 искажения ВФ меньше 0.3 мкм, аберрации ВФ после У21 не превышают 0.63 мкм. Показано, что основной вклад в деформации ВФ вносят крупногабаритные окна усилителей УЗ и У4. Наибольшая зарегистрированная волновая аберрация на выходе достигает 4.3 мкм, аберрационная составляющая расходимости излучения различных каналов лежит в пределах от 7 • 10~6 до 2.5 • 10~5 рад (кружок 8-27 мкм в объективе).

Осуществлено измерение формы ВФ моноимпульса, показано существенное влияние неоднордности активной среды вблизи источников накачки, приводящей к увеличению расходимости до 10"4 рад.

Очень важной и трудно решаемой методом "фокального пятна" является задача определения кривизны ВФ (коллимации) на выходе усилительного тракта. Это особенно актуально при преобразовании излучения в высшие гармоники. Эта задача решена с помощью интерферометра бокового сдвига. На выходе канала в перефирийной зоне между источниками накачки устанавливался эталонный клин, который отражал часть излучения на засвеченную фотобумагу. В излучении He-Ne лазера добивались вертикальной ориентации интерференционных полос. При сферичности ВФ моноимпульса полосы поворачивались, расфокусировка пропорциональна углу поворота полос. Точность определения расходимости этим методом меньше Ю-5 рад.

Проведена адаптация метода внефокальных наблюдений Гартманна для исследования формы ВФ мощных лазерных установок. Наибольшее развитие метод Гартманна получил при контроле астрономической оптики. При изучении ВФ мощных импульсных лазеров инфракрасного диапазона возникает целый ряд проблем, обусловленных особенностями объекта исследования. Главной особенностью является то, что ВФ является не плоским irai сферическим, а деформированным. При постановке диафрагмы на входе в ОС, возникает

неопределенность в локализации искажений ВФ на выходной апертуре.

Была предложена схема контроля с дополнительной перепроецируехцей системой (ПС), уменьшающей размер снимка Гартманна и позволяющей осуществлять локализацию дифракционных максимумов или минимумов на регистраторе, что повышает точность измерения координат пятен и определения угловых аберраций до (1 - 5) • 10*6 рад и деформаций ВФ « 1/4-1/7 длины волны. Постановка диафрагмы в сходящемся ходе лучей и применение ПС дает возможность диафрагмой одного диаметра контролировать форму ВФ различного диаметра.

Исследована форма ВФ, формируемого ОС, угловые аберрации ее не превышают 3 • 10"5 рад. Наблюдается соответствие с результатами интерферометрического контроля.

Измерена форма ВФ импульсного излучения, его искажения в 3 раза выше вносимых оптикой тракта. Они вызваны, в основном, астигматизмом измерительной линзы и неоднородностью оптической среды. Результаты определения расходимости совпадают с данными фотометрирования фокального пятна.

В результате проведенных исследований показано, что угловые аберрации ОС после компенсации сферической аберрации и астигматизма могут быть снижены до (1-2) • 10~5 рад. Компенсация астигматизма осуществляется поворотом линз, а сферической аберрации - перемещением линзы камерного обекгива. Расходимость излучения в облучательных экспериментах составила 3 1Сг3 рад по уровню 80% энергии.

Приведены результаты экспериментов при облучении мишеней. Исправленное поле зрения объектива позволило осуществить заведение 12-ти пучков в 6 отверстий мишени с обращенной короной (МОК).

В 1990-91гг были проведены эксперименты по облучению мишеней МОК. На мишенях, содержащих полидейтероэтилен в качестве рабочего вещества, получен выход 5 • 109 D-D нейтронов.

В 1992г. проведена серия экспериментов с непрямым (рентгеновским) воздействием на оболочечные микросферы, содержащие DT газ. Данный метод воздействия позволил существенно улучшить симметрию сжатия микросферы и довести объемное сжатие микросферы до 60 (конечная плотность DT газа

около 0.2 г/см ). Нейтронный выход для различных конструкций мишени изменялся в диапазоне (0.9-6) • 10Р.

В заключении сформулированы основные результаты работы, которые заключаются в следующем:

1. Расчетным путем определены требования к пространственным параметрам лазерного излучения, фокусируемого на сферическую мишень, и допустимым аберрациям оптической системы для достижения неоднородности облучения < 10%. Предложен вариант симметричного облучения мишени с обращенной короной.

2..Разработана параллельная схема построения 12-ти канальной установки "Искра-5" с применением пространственной фильтрации и трансляции изображения диафрагмы на выходе задающего генератора в срединные сечения усилителей с целью достижения высокой яркости излучения. Определены фокусные расстояния линз, обеспечившие волновые аберрации на выходе тракта « 1Л и угловые » 10~5 рад.

3. На основании расчетного анализа добротности резонаторов, образованных поверхностями линз, показано, что при коэффициенте усиления для слабого сигнала Ко » 100 усилители не возбуждаются даже при отсутствии эффективного просветления двояковыпуклых линз.

4. Найдены значения углов поворота линз, обеспечивающие устойчивость усилительных каскадов при отсутствии просветления и коэффициентах усиления для слабого сигнала Ко

1000. Возникающие при этом аберрации устраняются изменением формы линз и поворотом их во взаимно-перпендикулярных плоскостях. Рассчитана де центрированная схема с угловыми аберрациями « 10"3 рад и 15)утлым выходным зрачком.

5. Исследовано влияние элементов ОС на параметры лазерного излучения, фокусируемого на мишень. Показано значительное влияние на аберрации пучка погрешностей изготовления зеркал тракта. Они компенсируются поворотом линз, т.е. оптималшой юстировкой ОС.

6. На основании численного моделирования юстировки элементов ОС установки показано, что разработанное и используемое в экспериментах ручное наведение по системе

реперов на поворотных зеркалах обладает значительными компенсационными возможностями - легко достигаемое центрирование линз с точностью 1 мм может обеспечивать поперечное наведение на мишень « 10 мкм.

7. В результате проведенной работы разработана ОС, позволяющая получить расходимость излучения на выходе тракта (1-2) ■ 10"5 рад (без учета влияния активной среды).

В. Для установки "Искра-5" рассчитан зеркально-линзовый объектив диаметром 700 мм и фокусным расстоянием 1100 мм, ахроматизированный для длин волн 1.315 мкм и 0.659 мкм. Кружок рассеяния около 10 мкм, исправленное поле зрения 10'. Характер исправления аберраций позволяет обеспечить облучение сферической поверхности с неоднородностью 10%. Возможна компенсация аберраций предшествующей части схемы перемещением первой линзы объектива.

9. Для экспериментов по отработке физических основ рентгеновского лазера разработаны устройства для фокусировки излучения в отрезок со сферическими поверхностями. Проведены модельные эксперименты на установке "Искра-4".

10. Разработаны оптические схемы для диагностики параметров лазерного излучения и методика исследования формы волнового фронта (ВФ) излучения.

Интерферометром бокового сдвига проведен контроль ВФ на отдельных участках и выходе ОС. Аберрационная составляющая расходимости излучения лежит в пределах (0.72 5)' 10"5 рад, что соотвествует кружку рассеяния 8-27 мкм в объективе.

Предложен способ измерения кривизны ВФ на выходе тракта с помощью клиновидной пластины с чувствительностью менее 10"5 рад.

11. Проведена адаптация метода Гартманна для исследования ВФ мощных лазеров. Согласно результатам, полученным этим методом, угловые аберрации излучения на выходе каналов не превышают 3 * 10"5 рад, что хорошо согласуется с результатами измерений, проведеных методом "фокального пятна" - расходимость излучения 3 * 10*5 рад.

12. Результаты данной работы позволили провести г-ксперименш по облучению мишеней с обращенной короной и

шиле ней с непрямым (рентгеновским) воздействием на оболочечные микросферы, содержащие БТ газ. Нейтронный выход для различных конструкций мишени изменялся в диапазоне (0.9-6) • 109. Максимальное объемное сжатие микросферы составило примерно 60 (конечная плотность БТ -0.2 г/см ).

Основные результаты диссертации изложены в работах:

1. Анненков В.И., Багрецов В.А.,.....Львов Л.В. и др.

Импульсный лазер мощностью 120 ТВт "Искра-5". -Квантовая электроника, 18, N 5, 1991, с.536-537.

2. Иноземцев А.П., Кириллов Г.А., ...Львов Л.В. и др. Результаты расчета оптической схемы установки "Искра-5". Отчет ВНИИЭФ 13/Т-361, 1982. Номер гос. регистр. У 81732.

3. Зарецкий А.И., Лапо Л.М., Львов Л.В. и др.

О возможности формирования пучков высокого аберрационного качества в децентрированной оптической системе установки для ЛТС "Искра-4". -

Тез. докл. VI Всесоюз. конф. "Оптика .лазеров" (март 1990г., Л-д), Л.:ГОИ, 1990, с.238.

4. Львов Л.В., Меркулов С.Г., Муругов В.М. и др. Разработка методики юстировки оптической схемы установки "Искра-5" с помощью специальных юстировочных лазеров. Отчет ВНИИЭФ 13/Т-435, 1985. Номер гос. регистр. У 81732.

5. Комиссарова Т.И., Львов Л.В.

Численное моделирование юстировки элементов оптической схемы установки "Искра-5".

Отчет ВНИИЭФ 13Д-623, 1988. Номер гос. регистр. У 22113.

6. Васильев АХ., Кириллов ГА,... Львов Л.В. и др. Светосильные объективы для исследований по ЛТС на йодном лазере установки "Искра-4".

Тез. докл. VI Всесоюз. конф. "Оптика лазеров" (март 1990г. Л-д), Л.. ГОИ, 1990, с.210.

Изв. АН СССР, сер. Физ. т.54, N 10, с.2027-2031, 1990.

7. Львов Л.В., Пегоева Л.С., Рядов А.В. Объектив для вакуумной камеры установки "Искра-5". Отчет ВНИИЭФ 13/Т-333, 1983. Номер гос. регистр. X 09885.

8. Львов Л.В., Меркулов С.Г., Рядов А.В. Устройство для фокусировки оптического излучения .Авторское свидетельство 1623461, 1988.

9. Львов Л.В., Меркулов С.Г.

Устройство для фокусировки светового пучка круглого поперечного сечения в отрезок. Патент SU N 1825566 A3.

10. L.V. Lvov, S.G. Merkulov, A.V. Ryadov. Optical system producing line-focused radiation. "SPIE MEMORANDUM" paper number 2096-14, 1994.

11. Львов Л.В., Меркулов С.Г., Рядов A.B. Устройство для фокусировки излучения в отрезок.-"Квантовая электроника", 21, N 10 (1994), с.988-990.

12. Аксюта В.А., Анненков В.И.....Львов Л.В. и др.

Оптические измерительные схемы установки "Искра-5". Огает ВНИИЭФ 13/7-935,1992. Номер гос. регист. У 22113.

13. AV. Dolgopolov, L.V. Lvov, V.M. Murugov, M.A. Ozerov, V.T.Punin, AV. Ryadov.

Investigation of wave front producedbv optical system of facility "ISKRA-5",

"SPIE MEMORANDUM" paper number 2096-13, 1994.

14. Долгополов A.B.. Львов Л.В., Муругов В.М. и др. Волновой фронт, формируемый оптической системой установки "Искра- 5". - "Квантовая электроника", 21, N 10, (1994), с.997-1000.

15. Львов Л.В., Меркулов С.Г.

Устройство для контроля формы волнового фронта излучения

оптического диапазона.

Авторское свидетельство 4492368, 1988.

16. L.V. Lvov, S.G. Merkulov, M.A. Ozerov, AV. Ryadov. Hartmann method application for wave front investigation on hight-power pulsed lasers.

' SPIE MEMORANDUM" paper number 2096-15, 1994.

17. Львов Л.В., Меркулов С.Г., Озеров М.А., Рядов AB. Применение метода Гартманна для исследования формы волнового фронта мощных импульсных лазеров.-

"Квантовая электроника", 21, N 11, (1994), с.1055-1057.

18. Абзаев Ф.М., Анненков В.И., ... Львов Л.В. и др. Получение высокотемпературной плазмы при непрямом облучении микросфер на лазерной установке "Искра-5". -Письма в ЖЭТФ. 58, N1, с.28-30, 1993.