Введение к работе
1. Актуальность работы
Изобретение лазера относят к одному из наиболее значимых достижений науки и техники XX века. Высокая когерентность, большая интенсивность и малая расходимость лазерного шлучения обусловливают широкие возможности его применения при решении различных задач.
Для решения ряда практических задач с использованием лазерного излучения предъявляются особые требования к характеристикам пучка, реализовать которые, как правило, не удаётся только одним «универсальным» лазером. Поэтому целесообразно задать такие параметры резонатора лазера, которые позволят получить требуемые энергетические, временные, спектральные и поляризационные параметры излучения, а с помощью оптической системы вне резонатора лазера обеспечить формирование требуемых пространственных параметров пучка.
В работах Ю.А. Ананьева, Ю.М. Климкова, И.И. Пахомова показано, что отличия свойств шлучения классических источшпсов (тепловых, люминесцентных и др.) и формируемого в открытом резонаторе лазерного шлучения уже в параксиальной области вызывают принципиальное отличие законов их преобразования оптической системой. Поэтому были созданы оптические системы нового класса-лазерные оптические системы (ЛОС), расчёт которых производиться с учётом когерентных свойств лазерного излучения. При этом важно отметить, что известные методы расчёта оптических систем для классических источшпсов шлучения не учитывают пространственную когерентность лазерного пучка. Соответственно, основанные на этих методах САПР оптических систем Zemax, Code V, Oslo, Synopsys, WinDEMOS, CAPO и др. нельзя применять для разработки современных лазерных оптико-электронных приборов.
Для формирования лазерного шлучения с требуемыми характеристиками необходимо решить задачи анализа и синтеза как для резонатора лазера, так и для ЛОС. Под задачей анализа понимается определение пространственного распределения поля и параметров формируемого пучка, а синтеза - расчёт параметров резонатора лазера или ЛОС, формирующих 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 (т.е. образованного безаберрационными элементами) в основном решены; влияние неоднородности активной среды, разъюстировки элементов резонатора и других факторов на пространственно-энергетические характеристики лазерного шлучения в той или иной степени рассмотрены, а некоторые исследованы достаточно подробно (см. работы Ю.А. Ананьева, И.И. Пахомова, О.В. Рожкова, В.Н. Рож-дествина, Е.Ф. Ищенко, Ю.М. Климкова). Однако, в этих работах оптические элементы резонатора со сферической и параболической поверхностями считают идентичными. Так как, главным образом, применяют сферические зеркала, то аберрации формы поверхности зеркал резонатора, в совокупности с перечисленными факторами, влияют на характеристики генерируемого пучка. Что же каса- ' ется внешней оптической системы, то задачи анализа и синтеза решены для идо/
альной (безаберрационной) ЛОС, а для реальной ЛОС они решены только для основной моды (см. работы Ю.М. Климкова, И.И. Пахомова, А.Б. Цибули).
Из-за аберраций, дифракционных эффектов, неоднородности оптических элементов, их разъюстировки и др. факторов пространственная структура лазерного излучения на выходе резонатора лазера или ЛОС искажается: для реального и идеального пучков отличаются амплитудно-фазовые распределения полей и, как следствие, пространственные параметры. Эти искажения часто характеризуют параметром пучка М1. Тем не менее, отечественные (в частности, Ю.А. Ананьев) и зарубежные специалисты по лазерной технике неоднократно отмечали, что параметр М2 не в полной мере характеризует искажения пучка. 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.
Поскольку в диссертационной работе разрабатываются методы анализа и синтеза оптических систем, обеспечивающие высококачественное преобразование лазерных пучков, то она представляется актуальной и весьма своевременной.
Цель диссертационной работы и задачи исследований
Цель диссертационной работы - разработка методов анализа и синтеза оптических систем, которые обеспечивают малые искажения выходного амплитудно-фазового распределения поля лазерного излучения.
Для достижения указанной цели в диссертационной работе были поставлены и решены следующие научно-технические задачи:
-
Предложена и разработана система количественных оценок искажений амплитудно-фазового распределения поля и пучка лазерного излучения.
-
Разработаны методы расчета 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.
-
Разработаны методы расчёта амплитудно-фазового распределения поля и пространственных параметров произвольной поперечной моды лазерного излучения на выходе аберрационной дифракционно-ограниченной ЛОС.
-
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 работы заключается в том, что:
-
Разработан метод расчёта параметров и характеристик лазерного излучения, формируемого многоэлементным резонатором произвольной конфигурации, состоящим из безаберрационных элементов.
-
Разработан метод расчёта распределения поля, пространственных параметров пучка и частотного спектра лазерного излучения, формируемого устой-
чивьш многоэлементным резонатором, учитывающий аберрации сферических зеркал этого резонатора.
-
Разработаны методы расчёта распределения поля и параметров лазерного пучка на выходе аберрационной дифракционно-ограниченной ЛОС.
-
Предложена система количественных оценок искажений амплитудно-фазового распределения поля и пучка лазерного излучения, формируемого резонатором или ЛОС.
-
Разработана методика аберрационного синтеза многокомпонентных ЛОС для преобразования как одномодового, так и многомодового лазерных пучков с минимальным искажением распределения поля.
Практическая ценность результатов диссертационной работы заключается в следующем:
-
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.
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., использованы в работах ФГУП «НІЖ «ГОИ им. СИ. 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 подтверждается соответствующими актами.
Апробация работы
Материалы диссертационной работы доложены на VIII и IX Международных конференциях «Прикладная оптика» (г. Санкт-Петербург, 2008, 2010 гг.), XX Международной научно-технической конференщш «Лазеры в науке, технике и медицине» (г. Адлер, 2009 г.), XIV Международной конференщш «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).
Публикации
Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 7 научных работах, из них 2 статьи в журнале, входящем в Перечень ВАК РФ.
Структура и объём 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 цитируемой литературы из 79 наименований.
Научные положения и результаты, выносимые на защиту
-
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 ЛОС позволяют рассчитать конструктивные параметры компонентов оптической системы для преобразования одномодового или многомодового пучка лазерного излучения с малыми амплитудно-фазовыми искажениями поля.
