Методы анализа и синтеза оптических систем для высококачественного преобразования лазерных пучков

Актуальность темы

.

Изобретение лазера относят к одному из наиболее значимых достижений науки и техники XX века. Высокая когерентность, большая интенсивность и малая расходимость лазерного излучения обусловливают широкие возможности его применения при решении различных задач.

Для решения современных практических задач с использованием лазер-, ного излучения предъявляются особые требования к характеристикам пучка. Как правило, эти требования не могут быть удовлетворены только одним универсальным источником. Поэтому представляется целесообразным сформировать в резонаторе лазера энергетические, временные, спектральные и поляризационные параметры излучения, а с помощью оптической системы вне резонатора лазера — требуемые амплитудно-фазовое распределение поля и параметры пучка. При этом за счёт усложнения схемы резонатора компенсируют неоднородности его элементов и обеспечивают высокое качество и заданный модовый состав выходного лазерного пучка.

Излучение на выходе лазера может быть одномодовым (соответствует конкретному поперечному колебанию) или многомодовым (представляет суперпозицию нескольких поперечных типов колебаний) [1]. Так для задач прецизионной лазерной резки, в научных исследованиях, для осуществления реакций термоядерного синтеза и др. используют лазерное излучение моды TEMqq [2]. Лазеры, генерирующие моду ТЕМц, для которой характерна двухлепестковая диаграмма направленности, применяют, в частности, для наведения по лучу [1]. В работе [3] обосновывается перспективность применения мод Лагерра-Гаусса LGmn (т — радиальный индекс, anазимутальный) высокого порядка (га > 0, п > 0) в STED-микроскопии (Stimulated Emission Depletion), оптическом пинцете, при изучении задач физики плазмы. Как отмечается в работах [4−6], в многомодовом режиме генерации удаётся достичь более высоких энергетических параметров лазерного пучкаварьирование мо-дового состава позволяет существенно влиять на распределение интенсивности, подбирая его оптимальным образом для конкретной практической задачи. Многомодовые пучки находят применение при решении технологических задач (например, поверхностная термообработка материалов) [2].

Отличия свойств излучения классических источников (тепловых, люминесцентных и др.) и формируемого в открытом резонаторе лазерного излучения уже в параксиальной области вызывают принципиальное отличие законов их преобразования оптической системой [1,7,8]. Поэтому возникла необходимость разработки оптических систем нового класса — лазерных оптических систем (JIOC). JIOC получили своё название из-за специфики их расчёта — он производиться с учётом когерентных свойств и особенностей лазерного излучения. При этом важно отметить, что известные методы расчёта оптических систем для классических источников излучения и используемые для этого программы Zemax, Code V, Oslo, Synopsys, WinDEMOS, CAPO и др. не учитывают пространственную когерентность лазерного излучения, характеризуемая конфокальным параметром пучка, и их нельзя применять для разработки современных лазерных оптико-электронных приборов.

При формировании лазерного излучения с требуемыми характеристиками решаются задачи анализа и синтеза. Так, под задачей анализа резонатора или JIOC понимается определение пространственного распределения поля и параметров формируемого пучка, а синтеза — расчёт резонатора и/или JIOC, формирующие излучение с требуемыми характеристиками. Эти и другие задачи более 35 лет успешно развивает научная школа «Лазерная оптика» МГТУ им. Н. Э. Баумана под руководством д.т.н., профессора И. И. Пахомова.

К настоящему времени задачи анализа и синтеза идеального резонатора в основном решены [1,9−11]. Влияние неоднородности активной среды, разъ-юстировки элементов резонатора и других факторов на пространственно-энергетические характеристики лазерного пучка в литературе в той или иной степени рассмотрены, а некоторые исследованы достаточно подробно (см. [1,6,9,12]). Однако в большинстве работ оптические элементы резонатора со сферической и параболической поверхностями считают идентичными (например, [1,12]). Поскольку в большинстве случаях применяют сферические зеркала, то аберрации формы поверхности оптических элементов резонатора, в совокупности с перечисленными выше факторами, влияют на характеристики генерируемого пучка [13,14]. Что касается внешней оптической системы, то задачи анализа и синтеза решены для идеальной JIOC [1,7,8,15], а для реальной ДОС они разработаны только для основной моды [7,8,16−18].

Из-за аберраций, дифракционных эффектов, неоднородности оптических элементов, их разъюстировки и др. факторов пространственная структура лазерного излучения па выходе резонатора лазера или ЛОС искажается: для реального и идеального пучков отличаются амплитудно-фазовые распределения полей и, как следствие, пространственные параметры пучков. Эти искажения часто характеризуют параметром пучка М2. Тем не менее, отечественные и зарубежные специалисты по лазерной технике неоднократно отмечали неполноту характеристики искажений пучка только параметром М2 (например, [19]). Поэтому представляется важным разработать систему количественных оценок степени искажения пространственной структуры лазерного излучения, которая будет характеризовать искажения не только пучка, но и, что более важно, амплитудно-фазового распределения поля.

Так как к настоящему времени практически отсутствуют: 1) метод расчёта характеристик произвольной поперечной моды лазерного излучения, формируемой резонатором произвольной конфигурации, учитывающий аберрации его сферических зеркал- 2) метод расчёта характеристик произвольной поперечной моды лазерного излучения, формируемой ЛОС, учитывающий её аберрации и дифракционные эффекты- 3) методика синтеза ЛОС для преобразования произвольной поперечной моды лазерного излучения с малыми амплитудно-фазовыми искажениями поля- 4) система оценок искажений пространственной структуры формируемого оптической системой лазерного излучения, то тема диссертационной работы представляется актуальной.

Цель диссертационной работы — разработка методов анализа и синтеза оптических систем, которые обеспечивают малые искажения" вых (c)дного амплитудно-фазового распределения поля лазерного излучения.

Для достижения указанной цели в диссертационной работе были поставлены и решены следующие научно-технические задачи:

1. Предложена и разработана система количественных оценок искажений амплитудно-фазового распределения поля и пучка лазерного излучения.

2. Разработаны методы расчёта амплитудно-фазового распределения поля, пространственных параметров пучка и частотного спектра лазерного излучения, формируемого в резонаторе произвольной конфигурации, состоящего как из безаберрационных элементов, так и сферических зеркал.

3. Разработаны методы расчёта амплитудно-фазового распределения поля и пространственных параметров произвольной поперечной моды лазерного излучения на выходе аберрационной дифракционно-ограниченной ЛОС.

4. Разработана методика синтеза ЛОС различного назначения, обеспечивающих малые амплитудно-фазовые искажения выходного поля при преобразовании произвольной поперечной моды лазерного излучения.

Методы исследований.

При решении поставленных задач использованы методы теории оптических систем, геометрической оптики, скалярной теории дифракции, функционального анализа.

Научная новизна диссертационной работы заключается в том, что:

1. Разработан метод расчёта параметров и характеристик лазерного излучения, формируемого многоэлементным резонатором произвольной конфигурации, состоящим из безаберрационных элементов.

2. Разработан метод расчёта распределения поля, пространственных параметров пучка и частотного спектра лазерного излучения, формируемого устойчивым многоэлементным резонатором, учитывающий аберрации сферических зеркал этого резонатора.

3. Разработаны методы расчёта распределения поля и параметров лазерного пучка на выходе аберрационной дифракционно-ограниченной ЛОС.

4. Предложена система количественных оценок искажений амплитудно-фазового распределения поля и пучка лазерного излучения, формируемого резонатором или ЛОС.

5. Разработана методика аберрационного синтеза многокомпонентных ЛОС для преобразования как одномодового, так и многомодового лазерных пучков с минимальным искажением распределения поля.

Практическая ценность работы:

• Разработанные методы позволяют рассчитать параметры и характеристики лазерного излучения, формируемого многоэлементным резонатором произвольной конфигурации, состоящим как из безаберрационных элементов, так и сферических зеркал.

• Разработанные методы расчёта параметров и характеристик лазерного излучения позволяют анализировать распределение поля-и пространственные параметры пучка на выходе ЛОС с учётом аберрационных и дифракционных искажений оптической системы.

• Предложенный способ описания позволяет количественно оценивать степень искажения амплитудно-фазового распределения поля и параметров пучка лазерного излучения и оптимизировать конструктивные параметры лазера и ЛОС.

• Разработанные методика и алгоритм аберрационного синтеза ЛОС различного назначения позволяют рассчитать конструктивные параметры компонентов и обеспечить в результате малые амплитудно-фазовые искажения поля при преобразовании лазерного излучения произвольной поперечной моды, например, для приборов передачи, обработки и воспроизведения информации, голографии, литографии и др.

На защиту выносятся следующие основные положения:

• Введённая система показателей позволяет проводить количественную оценку искажений пространственной структуры лазерного излучения, формируемого резонатором или ЛОС.

• Разработанный метод анализа многоэлементных резонаторов произвольной конфигурации, учитывающий аберрации сферических зеркал, позволяет рассчитать амплитудно-фазовое распределение поля, пространственные параметры и частотный спектр формируемого лазерного излучения.

• Разработанные методы анализа ЛОС, учитывающие аберрационные и дифракционные искажения, позволяют рассчитать распределение поля и пространственные параметры произвольной поперечной моды выходного пучка излучения.

• Предложенные и разработанные методика и алгоритм аберрационного синтеза многокомпонентных JIOC позволяют рассчитать конструктивные параметры компонентов оптической системы для преобразования одномодового или многомодового пучка лазерного излучения с малыми амплитудно-фазовыми.искажениями.псшя.

Достоверность результатов основана на корректном рассмотрении исследуемых физических процессов, использовании правомерных допущений, корректном применении методов исследования, а также на соответствии результатов численного моделирования и эксперимента.

Реализация и внедрение результатов диссертационной работы.

Полученные результаты исследований внедрены в фирме Самсунг Электронике Ко., Лтд., использованьти-работах-ФВУП «НПК| «ГОИ 1иго. С.И. Вавилова» и в учебном процессе кафедры «Лазерные и оптико-электронные системы» МГТУ им. Н. Э. Баумана — в курсах лекций «Оптика лазерных систем локации» и «Проектирование лазерных систем экомониторинга», что подтверждено соответствующими актами.

Апробация результатов и публикации.

Материалы диссертационной работы доложены на VIII и IX Международных конференциях «Прикладная оптика» (г. Санкт-Петербург, 2008, 2010 гг.), XX Международной научно-технической конференции «Лазеры в науке, технике и медицине» (г. Адлер, 2009 г.), XIV Международной конференции «Оптика лазеров-2010» (г. Санкт-Петербург), а также Всероссийской школе для студентов, аспирантов, молодых учёных и специалистов по лазерной физике и лазерным технологиям в 2008;2010 гг. (г. Саров).

Основные результаты диссертационной работы опубликованы в двух статьях [11,20] в журнале, входящем в Перечень ВАК, и пяти трудах научно-технических конференций [21−25].

Структура и объем диссертационной работы.

Диссертация состоит из введения, четырёх глав, общих выводов и списка литературы. Материал изложен на 150 страницах машинописного текста и содержит 36 рисунков, 25 таблиц и список литературы из 79 наименований.

Основные результаты диссертационной работы заключаются в следующем:

1. Введена система показателей для количественной оценки искажений пространственной структуры лазерного излучения.

2. Разработан метод расчёта параметров и характеристик лазерного излучения, формируемого идеальными многоэлементными резонаторами, позволяющий получить расчётные соотношения в аналитическом виде.

3. Предложен и разработан метод расчёта стационарного амплитудно-фазового распределения поля и параметров лазерного излучения в многоэлементных резонаторах, учитывающий аберрации сферических зеркал.

4. Для произвольной поперечной моды разработаны методы расчёта распределения поля и параметров лазерного пучка на выходе аберрационной дифракционно ограниченной JIOC.

5. Получены приближённые аналитические выражения для искажающих функциональных факторов амплитуды и фазы и отклонения пространственных параметров лазерного пучка, необходимые для решения задач анализа и синтеза лазерных резонаторов и оптических систем.

6. Разработана методика и алгоритм аберрационного синтеза лазерных оптических систем, позволяющие проводить автоматизированный синтез таких систем с малыми искажениями выходного поля.

7. Результаты диссертационной работы опубликованы в двух статьях, доложены на четырёх конференциях и внедрены.

Таким образом цель, сформулированная во введении диссертации, достигнута.