Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Суммирование частот волн, параметрическая генерация и усиление света 21
1.1. Каскадное умножение частоты 21
1.2. Каскадная генерация третьей гармоники широкоапертурных пучков 32
1.2.1. Схемы каскадной ГТГ 32
1.2.2. ГТГ пучков с реальной пространственно-временной модуляцией излучения 37
1.3.Каскадная генерация пятой гармоники широкоапертурных пучков 62
1.3.1. Схемы каскадной ГПГ 62
1.3.2.ГПГ пучков с реальной пространственно-временной модуляцией излучения 65
1.3.3.Высокоэффективная генерация четвертой гармоники широкоапертурных пучков 69
1.3.4.Экспериментальное исследование процесса каскадной ГПГ 76
1.4. Параметрическая генерация и усиление света 82
1.4.1.Параметрическая генерация света 82
1.4.2.Параметрическое усиление инжектируемого сигнала 87
Постановка задачи 96
Глава 2. Трехканальный широкоапертурный лазерный комплекс 99
2.1. Задающий генератор комплекса 99
2.2. Широкоапертурный лазер на фосфатном неодимовом стекле 106
2.3. Системы измерений параметров излучения широкоапертурного лазера на фосфатном неодимовом стекле 126
2.4. Система нелинейно - оптических преобразователей частоты излучения широкоапертурного неодимового лазера 134
2.4.1. Преобразование излучения лазера во вторую гармонику 136
2.4.2. Преобразование излучения лазера в третью гармонику 141
2.4.3. Преобразование излучения лазера в четвертую гармонику 146
2.4.4.Преобразование излучения лазера в пятую гармонику 148
Глава 3. Высокоэффективные параметрические генераторы света 163
3.1. Оптическая схема измерений параметров излучения ПГС 163
3.2. ПГС при накачке излучением второй гармоники широкоапертурного нео димового лазера 167
3.3. ПГС при накачке излучением третьей гармоники широкоапертурного нео димового лазера 180
3.4. ПГС при накачке излучением четвертой гармоники широкоапертурного нео димового лазера 184
Глава 4. Высокоэффективное параметрическое усиление волн 190
4.1. Параметрическое усиление модулированных волн 190
4.2. Параметрическое усиление сигнала с конформным профилем 199
4.3. Параметрическое усиление перестраиваемого по спектру излучения лазера на центрах окраски 208
Глава 5. Генерация перестраиваемого излучения в УФ диапазоне 223
5.1. Суммирование частот излучения ПГС и гармоник широкоапертурного неодимового лазера 223
5.2. Генерация высоконаправленного узкополосного излучения в УФ диапазоне 235
Глава 6. Формирование пучков в частотно-периодических лазерных системах 243
6.1. Суммирование частот излучения двух лазеров 244
6.2. Формирование пучка внутри резонатора АИГ лазера 247
6.3. Компенсация искажений волнового фронта в усилителях твердотельных лазеров 255
6.4. Компактный лазер на фосфатном неодимовом стекле 265
Глава 7. Применение сформированного лазерного излучения для технологических целей 273
7.1. Лазерная установка для прошивки отверстий диаметрами -0,01 мм-0,4 мм 273
7.2. Лазерная установка для маркировки кабеля 281
Заключение 286
Список литературы 291
Приложение 1 316
Приложение 2 329
- ГТГ пучков с реальной пространственно-временной модуляцией излучения
- ПГС при накачке излучением второй гармоники широкоапертурного нео димового лазера
- Суммирование частот излучения ПГС и гармоник широкоапертурного неодимового лазера
- Лазерная установка для прошивки отверстий диаметрами -0,01 мм-0,4 мм
ГТГ пучков с реальной пространственно-временной модуляцией излучения
Реальное лазерное излучение модулировано в пространстве и во времени, поэтому оптимальные условия протекания процесса каскадной ГТГ в этом случае меняются. В [60] был проведен численный расчет нелинейных уравнений, описывающих процесс каскадной ГТГ в двух последовательно расположенных кристаллах KDP
Расчет эффективности каскадной ГТГ проводился для различных профилей пространственно-временного распределения интенсивности излучения накачки. Параметр N изменялся от 2 до 6 при М = 2. Рассматривалось влияние профиля пучка на эффективность протекания процесса каскадной ГТГ при использовании двух методов оптимизации процесса смешения. Результаты сравнивались с данными, полученными для взаимодействия плоских волн (N=0, М=0). При этом, как будет показано ниже, наблюдалось хорошее совпадение результатов экспериментального исследования процесса каскадной ГТГ в гипергауссовых пучках с расчетными, то есть исследование простой системы уравнений при учете только пространственно-временной модуляции излучения позволяет достаточно хорошо описывать процесс каскадной ГТГ.
Результаты расчета для схемы каскадной ГТГ OiOi-e2 - е -ез при оптимальном соотношении длин кристаллов L]/L2 1/1 представлены в таблице 1.1. и на рис. 1.2. Оптимальное соотношение длин кристаллов определялось по максимальной эффективности процесса ГТГ.
На рис. 1.2. представлены картины изменения профилей пучка (слева) и импульса (справа) в процессе каскадной ГТГ после первого (А,Б) и второго (В,Г) кристаллов преобразователя для гауссовой (А,В) и гипергауссовой (Б,Г) функции пространственного распределения интенсивности основного излу чения. Как видно из приведенных данных, основным фактором, ограничивающим эффективность преобразования в третью гармонику, является обратная перекачка волны на суммарной частоте в волны суммируемых частот, обусловленная модуляцией волн. При сильном энергообмене волн в кристалле-удвоителе преобразование интенсивности происходит неравномерно по сечению модулированного пучка и импульса, и на выходе из удвоителя форма модуляции остатка основной волны и волны второй гармоники может сильно отличаться. Наиболее ярко это проявляется в случае гауссовой формы модуляции накачки (N=2, М=2). Существенное отличие профилей модуляции волн на входе в смеситель приводит к заметному влиянию обратной перекачки на процесс суммирования частот волн. Таким образом, для эффективной ГТГ необходимо, чтобы на входе смесителя в каждой точке сечения пучка и импульса выполнялось соотношение Мэнли-Роу, что возможно лишь тогда, когда профили пучка и импульса смешиваемых волн подобны друг другу. Гипергауссов профиль интенсивности накачки оказывается в этом плане наиболее оптимальным. Как видно из рис.2.2. для случая N=6, М=2 профили интенсивности пучков смешиваемых волн более подобны и меньше проявляется влияние обратной перекачки на процесс суммирования частот волн.
Согласно данным, приведенным в таблице 1.1., использование излучения, модулированного гипергауссовой функцией, дает значительный прирост эффективности преобразования в третью гармонику. Однако, соотношение энергий смешиваемых волн существенно отличается от идеализированного случая взаимодействия плоских волн. Это объясняется тем, что при ГВГ в первом кристалле более эффективно преобразуется часть излучения в центре пучка, и на выходе кристалла остаток волны на основной частоте имеет значительную интенсивность в крыльях распределения интенсивности, то есть наблюдается заметное отличие от профиля интенсивности пучка накачки и, как следствие, недостаточное подобие профилей интенсивности смешиваемых волн. Как отмечалось выше, при использовании схем каскадной ГТГ с разворотом главной оптической плоскости кристалла-удвоителя относительно плоскости поляризации основного излучения на угол а (в дальнейшем - схемы с разворотом кристалла-удвоителя ) часть излучения на основной частоте проходит первый кристалл без изменения, то есть излучение на основной частоте на входе кристалла-смесителя сохраняет профиль распределения интенсивности излучения накачки. Результаты численного расчета уравнений 1.1. для схемы каскадной ГТГ ОіЄі-е2 - Є!02-е3 с оптимальным углом разворота кристалла-удвоителя а = 54,7 и оптимальным соотношением длин кристаллов Li/L2=l/1,3 представлены в таблице 1.2. и на рис. 1.3.
Ha рис. 1.3. аналогично рис. 1.2. представлены картины изменения профилей пучка и импульса для рассматриваемой схемы с разворотом кристалла-удвоителя. Как видно из приведенных данных для гауссового пучка накачки (N=2, М=2), сохранение профиля распределения интенсивности излучения на основной частоте после первого кристалла приводит к увеличению эффектив 42 ности процесса смешения во втором кристалле по сравнению с использованием схемы ОіОге2 - Є!02-е3 без разворота. Однако для гауссового пространственно-временного распределения интенсивности излучения накачки имеет место достаточно сильное несоответствие профилей смешиваемых волн и, как следствие, заметное ограничивающее влияние эффекта обратной перекачки на эффективность процесса смешения. Для гипергауссового пространственного распределения интенсивности накачки (N=6, М=2) наблюдается хорошее подобие профилей смешиваемых волн, что приводит к практически незначительному проявлению эффекта обратной перекачки и высокой эффективности процесса смешения.
Сравнение данных, приведенных в таблицах 1.1. и 1.2. показывает, что применение схемы каскадной ГТГ с разворотом кристалла-удвоителя при одних и тех же значениях параметров N и М позволяет получать более высокие соотношения энергий смешиваемых волн и эффективности преобразования в третью гармонику. При этом использование гипергауссовых пучков обеспечивает наиболее оптимальное протекание процесса смешения, получение максимальных КПД преобразования в третью гармонику и минимальное влияние ограничивающего эффекта обратной перекачки. При увеличении значения N в схеме с разворотом кристалла-удвоителя наблюдается наиболее быстрый рост эффективности процесса каскадной ГТГ и приближение величины соотношения энергий смешиваемых волн к значению 2,00 соответствующему идеализированному случаю взаимодействия плоских волн.
Таким образом, при использовании реального лазерного излучения, модулированного в пространстве и во времени, реализуется высокоэффективный процесс смешения частоты, и при этом видно ярко выраженное преимущество применения гипергауссовых пучков перед гауссовыми и использования схем каскадной ГТГ с разворотом кристалла-удвоителя.
В [56,61] представлены результаты экспериментального исследования процесса каскадной ГТГ в пучках с гипергауссовым профилем пространственного распределения интенсивности излучения многокаскадного лазера при использовании схемы 0!Оі-е2 - Єі02-е3 и оптимизации процесса смешения за счет небольшой отстройки по углу от направления синхронизма первого кристалла каскадного преобразователя (удвоителя). Апертура выходного усилителя лазера имела 0 20 мм. Основные параметры излучения: максимальная энергия -15 Дж, расходимость 2x10"4 рад, ширина спектра излучения - 10"2 А при точности воспроизведения длины волны генерации ІА, степень деполяризации Д 7% ( отношение энергии деполяризованной компоненты к суммарной энергии пучка ), длительность импульса на полувысоте т = 25 не, форма импульса близка к гауссовой. Микрофотограмма профиля пространственного распределения интенсивности пучка приведена на рис. 1.4
ПГС при накачке излучением второй гармоники широкоапертурного нео димового лазера
При накачке излучением второй гармоники неодимового лазера проведены исследования ПГС на кристаллах ADP и KDP. Используется пучок лазера с гипергауссовым профилем пространственного распределения интенсивности N = 6, диаметр по полувысоте 32 мм. Частота основного излучения удваивается в кристалле KDP размером 50x50x30 мм, взаимодействие ОіОі-е2. В начале проведено исследование двухкристального ПГС на кристаллах ADP [172], выращенных методом скоростного роста [53]. Длина первого кристалла составляет 55 мм, второго - 63 мм, тип взаимодействие е-ое. Расстояние между кристаллами для получения высокой направленности излучения ПГС выбирается равным 1000 мм. На рис.3.2 представлена зависимость эффективности т)ф и баланса энергий от плотности мощности излучения накачки. Максимальное значение т]ф = 60% наблюдается при плотности мощности излучения накачки W = 11 ГВт/см . Существенное уменьшение баланса энергий с увеличением плотности мощности излучения накачки указывает на значительную эффективность параметрической генерации в первом кристалле и большую потерю энергии излучения на неколлинеарную параметрическую генерацию. Во второй же кристалл ПГС в область усиления попадает и усиливается лишь небольшая квазиколлинеарная часть излучения параметрической генерации.
На рис.3.3 представлены расчетные и экспериментальные перестроечные характеристики ПГС. Измеренный экспериментально диапазон перестройки составляет 0,93 - 1,21 мкм и ограничивается областью прозрачности кристалла ADP. Перестройка длин волн, генерируемых ПГС, осуществляется синхронным поворотом кристаллов в противоположных направлениях. Значительное уменьшение щ (до 10%) наблюдается только на краях диапазона перестройки. Экспериментальные перестроечные кривые хорошо согласуются с расчетными. Ширина линии излучения ПГС составляет 4 - 7 А во всем диапазоне перестройки.
На рис.3.4 представлена фотография и соответствующие ей микрофотограммы пространственного распределения интенсивности излучения двух-кристального ПГС в дальней зоне. Расходимость излучения ПГС на полувысоте распределения интенсивности в горизонтальной плоскости ( в плоскости, параллельной главной оптической плоскости нелинейных кристаллов) составляет 2 мрад, а в вертикальной - 9 мрад.
При использовании кристаллов KDP [173] проведено исследование трёх схем двухкристального ПГС. В первом случае длины первого и второго кристаллов составляют 60 мм. Расстояние между кристаллами - 500 мм. Во втором случае расстояние между кристаллами увеличивается до 1000 мм. В третьем случае длина первого кристалла уменьшается до 40 мм при сохранении расстояния между кристаллами 1000 мм. Во всех случаях используется тип взаимодействие е-ое. Экспериментальные зависимости эффективности преобразования энергии цф и гт от плотности мощности излучения накачки представлены на рис.3.5. На рис.3.6 представлены экспериментальные зависимости выходной энергии излучения - Епгс и величины баланса энергий - Б ПГС от плотности мощности излучения накачки. Комплексное рассмотрение графиков показывает, что наименьший порог возбуждения генерации и, следовательно, наибольший коэффициент усиления имеет место в первом случае. Максимальное значение г\ф = 68% наблюдается при плотности мощности из-лучения накачки W = 9 ГВт/см . При дальнейшем увеличении плотности мощности излучения накачки значение Г)ф снижается, что может быть связано с началом процесса обратной перекачки энергии параметрической генерации в волну накачки.
Увеличение расстояния между кристаллами в два раза и связанное с этим уменьшение энергии затравочного сигнала, попадающего в канал усиления второго кристалла во втором случае, приводит к некоторому увеличению по рога генерации при существенном улучшении угловых характеристик излучения на выходе ПГС и, ввиду наличия однозначной спектрально-угловой зависимости, сужении спектра его генерации [82, 100]. Это вызвано тем, что в первом кристалле длиной L наибольшее усиление достигается в конусе углов 9 d/L, где d - диаметр пучка, а в апертуру пучка накачки второго кристалла попадает и усиливается лишь та часть излучения первого кристалла, которая распространяется внутри угла 0 « d/(n-l) ( п - показатель преломления для частоты усиливаемого излучения) [90,99]. При этом наблюдается некоторый рост величины Тф и максимальное ее значение в этом случае достигает 70% при плотности мощности излучения накачки W = 14 ГВт/см2.
Максимальные значения величин т\ф и гт, равные, соответственно, 74% и 41%, достигаются в третьем случае, когда длина первого кристалла уменьшается до 40 мм при расстоянии между кристаллами 1000 мм. При этом значительно снижаются потери энергии излучения накачки на неколлинеарную параметрическую генерацию в первом кристалле. Из этой энергии только незначительная 10" часть попадает в канал усиления второго кристалла. На рис.3.7 представлена зависимость эффективности параметрической генерации г) в первом кристалле от плотности мощности излучения накачки. Значение ц при увеличении плотности мощности излучения накачки до 13 ГВт/см возрастает до 11% , а энергия параметрических волн на выходе первого кристалла соответственно возрастает до 0,6 Дж. В тоже время при этих же условиях отношение энергии затравочного сигнала на входе второго кристалла к энергии излучения накачки изменяется от 1ч-2 х 10" при W = 9 ГВт/см до 3 х 10" при W= 15ГВт/см". На рис.3.8 представлены фотография и соответствующая ей микрофотограмма центральной части пространственного распределения интенсивности излучения волн параметрической генерации после первого кристалла в дальней зоне. В горизонтальной плоскости (в плоскости, параллельной главной оптической плоскости нелинейного кристалла) расходимость волн параметрической генерации на полувысоте составляет 1,5 мрад, а в вертикальной -100 мрад.
Применение первого кристалла длиной 20 мм не позволило достичь насыщения эффективности преобразования энергии и, тем самым, высоких значений гф и гт из-за недостаточного уровня параметрического сигнала на входе второго кристалла ПГС. Таким образом, сочетание кристаллов длиной 40 мм и 60 мм при расстоянии между ними 1000 мм в данных экспериментальных условиях является оптимальным.
Анализ зависимостей г)т от плотности мощности излучения накачки показывает, что после достижения максимума наблюдается довольно быстрый спад значений гт, особенно в первых двух случаях. Это связано как с увеличением потерь на неколлинеарную параметрическую генерацию в первом кристалле, а при высоких интенсивностях накачки неколлинеарная параметрическая генерация возможна и во втором кристалле, так и с обратной перекачкой энергии параметрической генерации в волну накачки. Основной вклад в величину потерь вносит неколлинеарная параметрическая генерация в первом кристалле, в которую при длине кристалла 60 мм и плотности мощности накачки 14 ГВт/см переходит свыше 35% энергии излучения накачки, а при длине кристалла 40 мм и той же накачке - не более 12%. Это позволяет получить в последнем случае энергию на выходе ПГС равную 2 Дж. То есть, для получения максимальной энергии параметрической генерации с узкой диаграммой направленности излучения необходимо с минимальными потерями энергии на неколлинеарное излучение получить на входе кристалла-усилителя достаточный по интенсивности высоконаправленный затравочный сигнал. При этом в первом кристалле ПГС расходуется небольшая часть энергии накачки. Основное преобразование энергии накачки в параметрические волны осуществляется во втором кристалле ПГС, где достигается условие насыщения процесса при усилении слабого высоконаправленного сигнала затравки.
На рис.3.9 представлена фотография и соответствующие ей микрофотограммы пространственного распределения интенсивности излучения двух-кристального ПГС в дальней зоне. Расходимость излучения ПГС на полувысоте в горизонтальной плоскости (в плоскости, параллельной главной оптической плоскости нелинейных кристаллов) составляет - 3 мрад, а в вертикальной - 6 мрад. Диапазон перестройки, в котором достигается эффективность преобразования г)ф выше 10% равен 0,83 - 1,35 мкм. Спектральная ширина излучения ПГС при этом составляет 4 - 7 А во всем диапазоне перестройки.
Расходимость излучения ПГС в вертикальной плоскости в основном зависит от геометрии эксперимента и определяется диаметром пучка накачки и расстоянием между кристаллами. Замена сферического сжимающего телескопа на цилиндрический, который производит сжатие пучка по одной координате, позволяет уменьшить расходимость в вертикальной плоскости. В результате коллинеарный пучок накачки представляет собой в сечении эллипс с полуосями на полувысоте 16 мм и 3 мм. Большая полуось эллипса параллельна главной оптической плоскости нелинейных кристаллов ПГС. На рис.3.10 представлена экспериментальная зависимость изменения г)ф от плотности мощности излучения накачки. В качестве нелинейных кристаллов используются два кристалла KDP длиной по 50 мм (тип взаимодействия е-ое), установленные на расстоянии 1000 мм один от другого. Исследование распределения излучения ПГС в дальней зоне в этом случае показывает, что расходимость в вертикальной плоскости, по сравнению со случаем использования сферического телескопа, уменьшается в 2 раза при примерно том же значении расходимости в горизонтальной плоскости.
Суммирование частот излучения ПГС и гармоник широкоапертурного неодимового лазера
Суммирование частот излучения ПГС и гармоник широкоапертурного неодимового лазера проводится при использовании двух схем. В качестве первой схемы используется линейная схема. При этом излучение волны ПГС суммируется с остатком излучения накачки на частоте второй гармоники на выходе ПГС. Оптическая схема эксперимента суммирования частот волн (линейный вариант) представлена на рис.5.1. В этом случае к схеме, приведенной на рис.3.1, добавлен кристалл-смеситель НКд и калориметр К5 с фильтром С5 -УФС-2, который регистрирует излучение УФ диапазона. В качестве КЛЬ КЛ2,
ГШ и Л3 используются оптические элементы из плавленого кварца, в качестве С6 - фильтр УФС-2. С выхода первого канала лазера пучок с гипергауссовым профилем пространственного распределения интенсивности (N = 6 и диаметр на полувысоте 32 мм) после преобразования во вторую гармонику и сжатия телескопом служит накачкой ПГС. Частота основного излучения удваивается в кристалле KDP размером 50x50x30 мм, тип взаимодействия O!0i-e2. Суммирование частот волны ПГС и остатка волны накачки на частоте второй гармоники осуществляется в кристалле KDP размером 50x50x17,5 мм, тип взаимодействия ео-е. Плавная перестройка УФ излучения осуществляется путем синхронного поворота кристаллов НК2, НК3 и НК4. Перед проведением измерений, а так же в процессе измерений калориметры Кь К2, К3 и К5 проходят взаимную калибровку. По данным калибровок разброс относительных показаний калориметров не превышает 5%.
Экспериментально определяется эффективность преобразования энергии при суммировании частот волн где на выходе кристалла-смесителя Ьт - энергия излучения на суммарной частоте в УФ диапазоне, Ен - остаток энергии излучения накачки на частоте второй гармоники, Епгс - остаток энергии параметрических волн. r)s представляет, без учета поглощения в кристалле-смесителе, долю энергии, преобразованную в УФ излучение от суммарной энергии, падающей на кристалл. При этом, приведенное значение эффективности меньше значения, которое учитывало бы только энергию взаимодействующих волн, так как учитывается энергия обеих волн ПГС, а в процессе суммирования участвует одна из них.
При проведении экспериментов применяются два вида сжимающих пучок телескопов. В первом случае используются сферические оптические элементы во втором - цилиндрические. Для первого случая при применении 2-х кратного сферического сжимающего телескопа (элементы Лі и Л2 рис.5.1) на рис.5.2 представлены зависимости эффективности преобразования энергии при суммировании частот волн % (1) и эффективности преобразования энергии Пф в ПГС (2) от плотности мощности излучения накачки, падающей на первый кристалл ПГС. На рис.5.3 представлена зависимость энергии излучения на суммарной частоте Ьт от плотности мощности излучения накачки, падающей на первый кристалл ПГС. Начиная с плотности мощности W 4 ГВт/смх, значение г практически не зависит от W и составляет 10% - 12%. Максимальное значение Es равно 0,22 Дж. Приведенные зависимости получены при использовании в качестве нелинейных элементов ПГС кристаллов KDP длиной 40 мм и 60 мм, установленных на расстоянии 1 м один от другого, тип взаимодействия е-ое.
Во втором случае при применении телескопа с цилиндрическими оптическими элементами коллинеарный пучок накачки представляет собой в сечении эллипс с полуосями на полувысоте 16 мм и 3 мм. Нелинейными элементами ПГС служат два кристалла KDP размером 50x15x50 мм, установленные на расстоянии 1 м один от другого. Большая полуось эллипса параллельна главной оптической плоскости нелинейных кристаллов ПГС. На рис.5.4 представлены зависимости эффективности преобразования энергии при суммировании частот волн rs (1) и эффективности преобразования энергии Пф в ПГС (2) от плотности мощности излучения накачки, падающей на первый кристалл ПГС. На рис.5.5 представлена зависимость энергии излучения на суммарной частоте Е2 от плотности мощности излучения накачки, падающей на первый кристалл ПГС. Начиная с плотности мощности W 3 ГВт/см значение п2 практически не зависит от W, и составляет 10% - 12%. Максимальное значение Es равно 0,21 Дж.
Попытка оптимизировать длину кристалла-смесителя при использовании сферического телескопа не даёт выигрыша в эффективности преобразования.
При уменьшении длины кристалла НК4 до 11 мм максимальная эффективность процесса смешения снижается до 9%.
Сравнение рис.5.3 и рис.5.5 показывает, что во втором случае на начальном участке зависимости увеличение энергии на суммарной частоте с ростом плотности мощности излучения накачки происходит быстрее, что объясняется большей направленностью излучения на выходе ПГС (раздел 3.2.). Однако, при дальнейшем увеличении плотности мощности излучения накачки (при W 4,5 ГВт/см ) сказывается увеличивающееся отличие профилей распределения интенсивностей смешиваемых волн, что приводит к понижению энергии на суммарной частоте.
Низкие значения эффективности преобразования энергии в процессе суммирования частот в рассматриваемых случаях обусловлены, во-первых, значительным искажением гипергауссового профиля пространственного распределения интенсивности излучения накачки на частоте второй гармоники за счет высокоэффективного нелинейного процесса в ПГС, и, как следствие, отсутствием подобия профилей распределения интенсивностей смешиваемых волн, и, во-вторых, за счет относительно высокой расходимости и спектральной ширины волн ПГС, одна из которых участвует в процессе смешения.
Для реализации условия подобия профилей распределения интенсивностей смешиваемых волн используется параллельная схема эксперимента с независимым формированием пучков. Оптическая схема представлена на рис.5.6. При этом излучение второй гармоники формируется на выходе 1 канала лазера. Перестраиваемое по частоте в ИК-области излучение ПГС формируется на выходе 2 канала лазера. Смешение частот полученных волн проводится в кристалле KDP при коллинеарном взаимодействии. На выходе 1 канала излучение второй гармоники формируется при преобразовании пучка с гипергауссовым профилем пространственного распределения интенсивности N = 6 (диаметр на полувысоте 32 мм) в нелинейном кристалле KDP размером 50x50x30 мм, тип взаимодействия о -ег. Излучение второй гармоники на выходе 2 канала формируется аналогичным образом. При этом профили пространственного распределения интенсивности пучков на выходе 1 и 2 каналов совпадают. Излучение второй гармоники на выходе 2 канала после сжатия 2-х кратным телескопом, состоящим из двух сферических линз Л3 и Л4, и выделения дисперсионной призмой ДП2 и фильтром С (СЗС-21) возбуждает однопроходный двухкристальный ПГС. В качестве нелинейных элементов ПГС используются кристаллы KDP (НК3 и НК4) длиной 40 мм и 60 мм, расположенные на расстоянии 1 м один от другого, тип взаимодействия е-ое. После увеличения диаметра пучка излучения ПГС 2-х кратным телескопом (элементы Л5 и Л6) этот пучок выставляется с помощью "глухих" зеркал Зі и Зг после призмы ДДі так, что одна из волн ПГС распространяется соосно с излучением второй гармоники первого канала. Суммирование частот волн осуществляется в кристалле KDP размером 50x50x17,5 мм, тип взаимодействия ео-е. Схема регистрации параметров выходного излучения и методика расчета эффективности преобразования энергии аналогичны описанным для линейной схемы. На рис.5.7 представлена зависимость эффективности преобразования энергии при суммировании частот волн rS от суммарной плотности мощности излучения ПГС и второй гармоники, падающих на кристалл-смеситель. Максимальная эффективность преобразования энергии достигает 23% при плотности мощности падающего излучения 100 МВт/см . На рис.5.8 приведена зависимость выходной энергии УФ излучения от суммарной плотности мощности излучения ПГС и второй гармоники, падающих на кристалл-смеситель. Максимальная энергия УФ излучения при суммарной плотности мощности накачки 230 МВт/см достигает -100 мДж. Ограничения эффективности преобразования обусловлены относительно высокой расходимостью и спектральной шириной излучения ПГС, одна из волн которого участвует в процессе суммирования частот. В тоже время по сравнению с линейной схемой эффективность преобразования энергии при суммировании частот волн значительно возросла. То есть создание подобных гипергауссовых профилей распределения интенсивности излучения смешиваемых волн на входе кристалла-смесителя позволяет значительно повысить эффективность процесса смешения.
Плавная перестройка УФ излучения осуществляется путем синхронного поворота кристаллов НК3, НК4, НК5 и настройки зеркал 3] и 32, сохраняющей соосное направление взаимодействующих пучков. Для двух представленных схем при диапазоне перестройки ПГС 0,83 -ь 1,35 мкм область перестройки генерируемого УФ излучения составляет 322 -г 379 нм.
Для получения широкоапертурного плавноперестраиваемого по частоте излучения вблизи пятой гармоники неодимового лазера (А, = 211 нм) проведено суммирование частот в кристалле ADP четвертой гармоники широкоапертурного неодимового лазера и излучения ПГС, перестраиваемого в ИК-области спектра. Оптическая схема эксперимента представлена на рис.5.6. Генерация четвертой гармоники происходит в кристалле KDP (НК6) размером 50x50x10 мм, тип взаимодействия о2о2-е4. Суммирование частот волн проходит в кристалле ADP (НК5) размером 50x50x10 мм, тип взаимодействия оо-е. На рис.5.9 приведена зависимость эффективности преобразования энергии при суммировании частот волн от суммарной плотности мощности излучения ПГС и четвертой гармоники, падающих на кристалл-смеситель. Максимальная эффективность преобразования энергии составляет 20% при плотности мощности падающего излучения 40 МВт/см . Выходная энергия результирующего УФ излучения при этом составляет 30 мДж. Ограничение эффективности преобразования обусловлено относительно высокой расходимостью и спектральной шириной волн ПГС, одна из которых участвует в процессе суммирования частот. Как следствие, максимум преобразования (отражающий лучшие условия смешения при существующих параметрах излучения) наблюдается при относительно низких плотностях мощности излучения четвертой гармоники, что, в свою очередь, приводит к относительно низким выходным энергиям результирующего излучения в УФ диапазоне.
При диапазоне перестройки ПГС 0,83 1,35 мкм область перестройки генерируемого УФ излучения составляет 215 -ь 221 нм. Нижняя граница перестройки УФ излучения соответствует 90-градусному коллинеарному синхронизму при комнатной температуре (раздел 1.3.4).
Лазерная установка для прошивки отверстий диаметрами -0,01 мм-0,4 мм
Использование лазерного излучения с упорядоченной временной и пространственной структурой, в частности, переход к импульсно-периодическому лазерному воздействию, позволяет значительно расширить возможности и увеличить эффективность лазерной обработки материалов [206-207]. В то же время эффективность воздействия импульса лазерного излучения с высокой плотностью мощности (W 10 Вт/см" ) на поверхность металла может ограничиваться возникновением поглощающей излучение плазмы оптического разряда в воздухе [208]. Это обстоятельство существенно ограничивает сферу технологических применений наиболее распространенных АИГ лазеров, работающих в режиме модуляции добротности.
Согласно [209], ситуация может существенно меняться при воздействии на металл и другие материалы цуга маломощных лазерных импульсов. Генерация такого цуга может быть реализована в случае, когда за время одного импульса накачки формируется несколько импульсов излучения. Это позволяет создать режим эффективного эрозийного лазерного плазмообразования, в котором обеспечивается вытеснение из зоны воздействия экранирующего слоя воздушной плазмы [209] в течение времени, разделяющего последовательные импульсы излучения. Такой режим обеспечивает при воздействии на металл и неметаллические материалы повышение глубины, точности размеров и формы отверстия [210].
Лазерная установка для прошивки отверстий диаметрами 0,01 мм - 0,4 мм создана по схеме приведенной на рис.7.1. В качестве ЗГ используется промышленный лазер ЛТИ-502 с акустооптической модуляцией добротности, выходная мощность которого в режиме генерации одной поперечной моды составляет 2 Вт. Частота следования импульсов ЗГ может регулироваться в пределах - 3,8 -50 кГц. Длительность импульса при этом изменяется от 0,4 мкс до 0,66 мкс. В качестве усилителя (У) использована оптическая схема, приведенная рис.6.6 и описанная в разделе 6.3. Применяется вариант с установкой схемы ПСГТВД. Для фокусировки излучения на деталь и наблюдения увеличенного изображения области прошивки отверстия используется модернизированная промышленная система оптического контроля СОК-1. Дополнительно для быстрого выбора места расположения отверстия применяется луч-пилот (сфокусированное излучение He-Ne лазера, пучок которого выставлен соосно с силовым пучком на выходе усилителя). Для фокусировки излучения на деталь используются сменные объективы с фокусными расстояниями 50 мм, 75 мм, 100 мм и 150 мм. Газовые насадки для каждого объектива позволяют подавать в зону облучения под давлением газ. Система микроподачи обеспечивает точное позиционирование положения детали и расположение фокуса силового пучка относительно поверхности по положению сфокусированного пучка He-Ne лазера.
Отработка режимов работы установки позволила определить оптимальные условия прошивки отверстий в различных материалах. На рис.7.2 - 7.4 представлены зависимости числа цугов импульсов излучения N, необходимых для прошивки листовых сталей марок Ст-3 толщиной 1,5 мм и 12Х18Н9 толщиной 1 мм от частоты следования импульсов в цуге. Зависимости получены при использовании объективов с фокусными расстояниями 75 мм, 100 мм и 150 мм.
Энергия излучения цуга импульсов составляет 0,7 Дж. Следует заметить, что этот параметр излучения при постоянном уровне накачки усилителя практически не зависит от частоты следования импульсов в цуге. При частоте 3,4 кГц в цуге содержится 14 импульсов, а при увеличении частоты до 51,4 кГц количество импульсов увеличивается до 221. Для приведенных зависимостей прошивка отверстий осуществлялась без подачи газа в зону прошивки. После прошивки каждого отверстия стальные пластины перемещались в направлении, перпендикулярном к лазерному лучу, с шагом 4 мм.
Как следует из полученных зависимостей, при частотах следования импульсов в цуге меньше 5 кГц, 12 кГц и 19 кГц, соответственно, для объективов с фокусными расстояниями 75 мм, 100 мм и 150 число цугов импульсов, необходимых для прошивки отверстий в образцах резко увеличивается. В тоже время для частот следования импульсов излучения более 5 кГц - 8 кГц, 12 кГц - 15 кГц и 19 кГц - 22 кГц, соответственно, для объективов 75 мм, 100 мм и 150 мм число цугов импульсов, необходимых для прошивки отверстия слабо зависит от частоты и минимально. Анализ входных и выходных отверстий под микроскопом показал, что качество отверстий при частотах следования импульсов в цуге выше 20 кГц - 30 кГц улучшается, и они принимают практически идеальную круглую форму. При этом параметр некруглости отверстий для частот следования импульсов в цуге менее 20 кГц не превышает 10% от заданного диаметра.
При фокусировке на пластину объективом с фокусным расстоянием 75 мм максимальное значение плотности мощности излучения, создаваемое отдельным импульсом при частоте их следования в цуге 3,4 кГц, составляет 2-10 Вт/см . При частоте следования импульсов 8 кГц значение этой величины уменьшается до 8-10 Вт/см . При фокусировке на пластину объективами с фокусными расстояниями 100 мм и 150 мм и частоте следования импульсов в цуге 3,4 кГц максимальное значение плотности мощности излучения, создаваемое отдельным импульсом, соответственно, составляет 1,2-10 Вт/см и 8-Ю Вт/см . При частотах следования импульсов 15 кГц и 22 кГц значения этих величин уменьшаются, соответственно, до 2-10 Вт/см и 1,2-10 Вт/см2.
Ход приведенных зависимостей показывает, что для частот следования импульсов в цуге меньше 5 кГц, 12 кГц и 19 кГц, соответственно, для объективов с фокусными расстояниями 75 мм, 100 мм и 150 мм наблюдается экранировка мишени воздушной плазмой. С увеличением частоты следования импульсов в цуге это ограничение снимается и реализуется режим, обеспечивающий вытеснение из зоны воздействия экранирующего слоя воздушной плазмы от первого лазерного импульса и переход к эффективному эрозийному плазмо-образованию с невысокой степенью экранировки мишени в процессе воздействия последующих лазерных импульсов [209]. Практически вся энергия первого импульса цуга идет на образование воздушной плазмы оптического пробоя в приповерхностной области мишени. Далее происходит тепловой взрыв, сопровождающийся интенсивным разлетом и свечением плазменного облака. Как обычно, после любого взрыва образуется существующая некоторое время область разреженного пространства. Если временной интервал между импульсами серии меньше времени существования разряжения, то второй импульс серии возбуждает воздушную плазму, концентрация заряженных частиц в которой значительно меньше по сравнению с плазмой, индуцированной первым импульсом. Известно, что экранирующие свойства плазмы пропорциональны квадрату ее концентрации. Следовательно, второй импульс серии практически беспрепятственно достигает поверхности мишени. Далее процесс, по-видимому, развивается аналогично описанному выше с той лишь разницей, что источником теплового взрыва являются перегретые пары мишени. Разлетающаяся плазма препятствует поступлению воздуха в область взаимодействия лазерного излучения с мишенью, следовательно, поддерживается разряжение и образуется своеобразный канал доставки излучения к поверхности мишени [211-213].
