Введение к работе
. Введение Актуальность темы.
Одним из направлений развития лазерной техники является создание лазеров с предельно малой длительностью импульсов излучения, перестраиваемых в широком спектральном диапазоне, увеличение их мощности и энергии, а также улучшение таких характеристик, как спектральный состав, контраст по интенсивности, стабильность.
Для оперативного контроля за параметрами излучения на всех этапах разработки лазеров, а также для оценки технических возможностей систем, использующих лазеры, необходимы адекватные методики измерения параметров лазерного излучения. Для измерения параметров импульсного оптического излучения используются следующие методы: фотоэлектрический, корреляционный (нелинейный) и электронно-оптический метод.
Фотоэлектрический метод основан на использовании фотоэлектрического первичного измерительного преобразователя, осуществляющего преобразование оптического сигнала в электрический, и последующей записи формы электрического сигнала на экране электронно-лучевой трубки (ЭЛТ) или жидко-кристаллического (ЖК) дисплея. Широко применяемые для регистрации оптических быстропротекающих процессов фотоэлектрическим методом фотоэлектронные умножители (ФЭУ), фотодиоды (ФД), фототранзисторы (ФТ), фотоэлектронные коммутаторы (ФЭК), с использованием осциллографов в качестве регистраторов, обладают рядом достоинств: сравнительно недорогие, простые в эксплуатации, надежные и несложные в изготовлении. Основным недостатком данных приборов является их одноканальность и, как следствие, отсутствие пространственного разрешения, а также невысокое временное разрешение (не лучше 10~10 с для ФЭУ, 3-Ю"10с для ФД, 10"шс для ФЭК). В принципе, можно увеличить число каналов с использованием большого количества фотопреобразовате-
лей и регистраторов, однако это приведет к сведению на нет всех достоинств данного метода. Фотоэлектрический метод позволяет измерять длительность и форму импульса оптического излучения с разрешением, задаваемым каждым из элементов составляющим прибор (фотопреобразователь, усилитель, передающий тракт, отклоняющая система осциллографа).
Временное разрешение приборов, регистрирующих лазерное излучение, может быть улучшено путем применения корреляционных (нелинейных) методов измерений. Простейший корреляционный метод основан на нелинейно-оптическом процессе генерации второй гармоники (ГВГ), Исследуемый световой пучок разделяется в пространстве делительной пластиной на два пучка, которые проходят разные пути до их совмещения в нелинейном кристалле. Используя пучки разной поляризации, или осуществляя нелинейное взаимодействие неколлинеарных волн, можно добиться выполнения условий, когда вторая гармоника высокой интенсивности генерируется в кристалле лишь при наложении двух импульсов. Степень перекрытия во времени этих двух импульсов в кристалле может изменяться механо-оптически путем изменения длины одного из путей (с помощью оптической линии задержки). Эффективность ГВГ будет максимальна при совпадении импульсов в пространстве и времени, и будет уменьшаться по мере увеличения задержки одного из них по отношению к другому.
Простейший корреляционный метод позволяет определить длительность импульса с высоким временным разрешением, определяемым только шагом линии задержки (1 мкм эквивалентен 3 фс). Однако этот метод не является прямым (длительность и форма импульса восстанавливается на основе корреляционной функции).
Применяются также усовершенствованные корреляционные методы, так называемые методы FROG (оптическое стробирование с частотным разрешением) и SPIDER (спектральная фазовая интерферометрия для ре-
конструкции электрического поля) (русскоязычных аббревиатур не существует). Основное отличие методов FROG и SPIDER от простого корреляционного состоит в том, что эти методы позволяют определять частотный спектр, по которому восстанавливается радиочастотный спектр импульса, соответствующий реальной форме огибающей импульса.
Электронно-оптические методы позволяют измерять длительности импульсов до 200 фс в спектральном диапазоне 0,1 - 1,8 мкм. Электронно-оптические методы обеспечивают: прямой метод регистрации длительности и формы импульса излучения, линейный динамический диапазон в широком интервале интенсивностей, регистрацию слабых сигналов (однофотон-ная регистрация), и как следствие, возможность регистрации однократных процессов, измерения контраста и мгновенных значений энергии, большой объем одновременно регистрируемой пространственной информации,
В настоящее время электронно-оптический метод используется для регистрации не только интегрального по спектру импульсного излучения, но и для регистрации динамики развития отдельных спектральных составляющих излучения. Тем не менее, несмотря на несомненную необходимость, не существует промышленных приборов, позволяющих осуществлять одновременно регистрацию временной, спектральной и пространственной компонент коротких импульсов. Такой прибор будем называть спектрохронографом. Поэтому в экспериментальном оборудовании, применяется вариант из комбинаций фотохронографов и спектральных приборов (монохроматоры, полихроматоры, спектрометры).
Такой вариант совмещения стандартных приборов обладает рядом недостатков. Стандартные спектральные приборы имеют времешгую дисперсию (разность временного хода спектральных составляющих) в спектральном диапазоне измерений от 200 до 1000 нм значительно превышающую десятки пикосекунд. Тем самым временное разрешение используемых вме-
сте с ними фотохронографов существенно уменьшается. Другим недостатком является необходимость проецирования разложенного по спектру изображения на ограниченную в размерах область фотокатода, либо необходимость сканирования спектров. Если в первом случае при проецировании появляются значительные потери в чувствительности, то во втором — отсутствует возможность регистрации всех спектральных составляющих.
В связи с этим совокупность работ по созданию измерительной техники, применяемой для исследования характеристик лазеров ультракороткой импульсной генерации, параметров излучения лазерно-возбужденного отклика исследуемой среды с использованием спектрохронографа, представляет несомненный интерес.
Цель работы. Целью диссертационной работы является создание спектрохронографа для исследования временных и энергетических параметров лазерного излучения ультракороткой длительности (10"п с) в спектральном диапазоне 200-1000 нм и его применение для оптимизации лазерного излучения.
Основные задачи исследования.
-
Разработка фотохронографической части спектрохронографа с высоким временным разрешением (~ 1 пс) и большим динамическим диапазоном чувствительности (~ 500), методов определения основных динамических характеристик фотохронографа (нестабильности запуска, нелинейности и диапазонов развертки).
-
Анализ технических, функциональных характеристик полихрома-тора и электронно-оптических преобразователей, а также аппаратных реализаций на их основе с целью выявления возможностей элементной базы, оценка ее возможностей для измерения спектрально-динамических параметров импульсного лазерного (и других источников) излучения и определение аппаратной структуры спектрохронографа.
-
Разработка неселективного в широком спектральном диапазоне полихроматора и методов исследования его характеристик.
-
Разработка алгоритма и написание рабочих программ для спектрохронографа и высокоскоростного фотохронографа.
-
Исследование с помощью спектрохронографа характеристик пико-секундных лазеров с пассивной, активной и пассивно-активной синхронизацией мод и обратной электрооптической связью.
-
Оптимизация с использованием спектрохронографа юстировки схемы «чирпирования», режимов работы тераваттной лазерной установки с многокаскадным усилением.
-
Измерение с помощью спектрохронографа энергетического и спектрального контраста лазерного излучения при каскадном преобразовании гармоник.
Методы исследования. Настоящие исследования проведены на основе современных представлений и экспериментальных методик электронной техники и квантовой электроники, методов статистического анализа, цифрового моделирования.
Научная новизна.
-
Разработаны методики исследования временных характеристик высокоскоростной хронографической части спектрохронографа, а именно: нестабильности запуска (джиттера), скорости и нелинейности развертки.
-
Разработана методика исследования спектральных характеристик диспергирующей части (полихроматора) спектрохронографа.
-
Проведен расчет временной переходной характеристики полихроматора.
-
Разработаны методики оптимизации юстировки схемы «чирпирования», режимов работы импульсных твердотельных лазеров (пикосекунд-ных и наносекундных).
-
Разработаны программы для автоматизированной обработки и хранения рабочей информации.
-
Проведены измерения энергетического контраста и спектрального контраста для нескольких длин волн лазерного излучения.
-
Предложена конструкция и разработан прибор для исследования спектрально-динамических и пространственно-динамических параметров лазерного излучения.
Поскольку разрабатываемый прибор доведен до промышленной разработки, получил торговый знак, то в дальнейшем для обозначения прибора и его составных частей будут использоваться утвержденные названия: спектрохронограф «СХ-1А», фотохронограф «Взгляд 2А-2», полихроматор «Спектр-1А».
Практическая ценность работы.
-
С помощью хронографической части «Взгляд 2А-2» спектрохроно-графа «СХ-1А», аттестованной в качестве рабочего средства измерений временных и пространственных характеристик импульсного излучения, исследованы процессы генерации лазерной системы с электрооптической отрицательной обратной связью, лазера с кратковременной резонансной модуляцией потерь в пико- и наносекундных областях длительностей, пикосе-кундных лазеров, работающих в комбинированном активно-пассивном режиме синхронизации мод, разработаны рекомендации по оптимизации режимов работы лазеров.
-
Применение разработанных методов измерений временных и пространственных характеристик импульсного излучения, а также хронографической части «Взгляд 2А-2» спектрохронографа «СХ-1А», позволило получить рабочую информацию о динамике лазерной генерации пикосе-кундных лазеров, форме, амплитуде и тонкой структуре ультракоротких лазерных импульсов.
-
С использованием высокоскоростной хронографической части «Взгляд 2А-2» спектрохронографа «СХ-1 А», в экспериментах на тераваттной пикосекундиой лазерной установке (тимп=1-10 не, Х=1054 нм, Риш=10 ТВт), проведенных в РФЯЦ-ВНИИТФ, а также во ФГУП ВНИИОФИ на пикосекундиой лазерной установке (т,,, =25-30 пс, Xi=1064, Х,2=532 нм), произведены измерения контраста излучения с длительностью импульсов (1-30) -10"12 с, исследованы режимы оптимизации юстировки схемы «чирпирования», с помощью кадровой регистрации получены сведения о начальной стадии энергетических превращений высокоэнергетических материалов, позволяющих оценить модель физико-химических превращений этих материалов.
-
С помощью разработанного метода определена нестабильность (джиттер) срабатывания разверток спектрохронографа.
-
С использованием спектрохронографа проведены исследования по изучению предвзрывных явлений в азидах тяжелых металлов, результаты которых позволили уточнить феноменологическую модель взрывных процессов.
Личный вклад. Все результаты, изложенные в диссертационной работе, получены автором лично либо при его непосредственном участии. Апробация работы. Результаты работы докладывались на следующих Всероссийских и Международных конференциях:
-
Забабахинские научные чтения, Международная конференция, 8-12 сентября 2003 г., г. Снежинск.
-
Забабахинские научные чтения, Международная.конференция, 5-10 сентября 2005 г., г. Снежинск.
-
2 Всероссийская конференция «Энергетические конденсированные системы», 9-13 ноября 2004 г., Черноголовка.
Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 143 страницах, в т.ч. 41 рисунок, 12 таблиц. Список литературы содержит 96 на-
