Введение к работе
Актуальность работы. Исследования обращения волнового фронта (ОВФ) имеют большое значение для решения проблемы формирования мощного лазерного излучения с высокой направленностью и передачи его на большие расстояния. Особую ценность эти исследования приобрели с появлением и развитием электроионизационных (ЭИ) С02-лазеров, работающих в импульсно-периодическом режиме, и лазерно-оптических систем, создаваемых на их основе. Такие лазеры и лазерно-усилительные системы [Р-г-4*]" требуют при реализации предельных энергетических характеристик (высоких энерговкладов, КПД и частот следования импульсов) использования методов коррекции искажений волнового фронта оптического излучения, возникающих вследствие аберраций оптических систем и неоднородностей активной среды [5*+9*].
К моменту начала работы, относящемуся к середине 80-х годов, наилучшие результаты в решении проблемы коррекции искажений в импульсных и импульсно-периодических фотоионизационных ТЕА-С02-лазерах с длительностью импульса т„<1 мкс были получены при обращенини волнового фронта (ОВФ) их излучения при вырожденном четырехволновом взаимодействии (ВЧВВ) в гексафториде серы S32Fe (элегазе) [10*]. Представляла интерес реализация подобных ОВФ зеркал применительно к электроионизационным (ЭИ) СОг-лазерам. Длительность импульса излучения этих лазеров составляет обычно десятки микросекунд [11*], а энергия в импульсе то же порядка, что и в TEA СОг-лазерах. Мгновенная мощность излучения лазеров с длинным импульсом значительно меньше, чем в режиме короткого импульса, что, при прочих равных условиях, приводит к снижению энергетической эффективности динамических голограмм, записываемых в нелинейной среде при ВЧВВ. Кроме того, ВЧВВ в элегазе в режиме длинного импульса накачки сопровождается, в отличие от режима короткого (длительностью ти<1 мкс) лазерного импульса, появлением ряда новых эффектов, в частности эффектов, вызванных значительным (свыше 1000 К0) нагревом газа в ОВФ кювете. Таким образом, при оптимизации ОВФ зеркала, работающего в режиме длинных импульсов, необходимо учитывать температурные изменения в течение импульса теплофизических и оптических характеристик элегаза, а именно, коэффициента поглощения, времени колебательно-поступательной (V-T) релаксации возбужденных молекул элегаза Wr, коэффициента преломления п, интенсивности насыщения Is.
Прим. 1) Здесь и далее помеченные звездочкой номера литературных ссылок относятся к списку цитированной литературы, а ссылки, не отмеченные звездочкой, к списку печатных работ автора диссертации.
Влияние всех этих эффектов на параметры ОВФ зеркала, проявляющееся при длительности лазерного импульса в десятки микросекунд, характерной для
ЭИ COj-лазеров, (обычно ти~10-г30 мкс), к моменту постановки данной работы не было исследовано, равно как и не было реализовано ОВФ излучения в лазерных импульсах большой длительности. Поэтому являлось весьма актуальным исследование возможности реализации ВЧВВ в элегазе излучения ЭИ СОг-лазера с длительностью импульса в десятки микросекунд, а также процессов, протекающих в этой среде. Важным для практического применения было также проведение исследований реакции ОВФ зеркала на быстрые
фазовые изменения волнового фронта сигнальной волны (инерционности отклика ОВФ зеркала) в течение импульса.
Создание непрерывных технологических СОглазеров с мощностью
излучения, достигающей десятков киловатт [12*], потребовало проведения
исследований по ОВФ коррекции непрерывного лазерного излучения с высокой
мощностью. Однако ОВФ излучени* непрерывных СОглазеров было
осуществлено при ВЧВВ в органических жидкостях с тепловой нелинейностью
для плотности мощности накачек, не превышающих 50 Вт/см2 [13*], что не
.позволяло применить разработанные методы в мощных лазерах. Поэтому
представлялось . актуальным теоретическое исследование возможности
реализации ОВФ излучения непрерывного СОг-лазера с плотностью мощности
накачек 102-г103 Вт/см с высокой энергетической эффективностью. Такое
-теоретическое исследование выполнено в данной работе для схемы ВЧВВ на
объемной тепловой динамической голограмме, записываемой в движущихся
поглощающих жидкостях и газах.
Цель работы.
Экспериментальное и теоретическое исследование возможности реализации обращения волнового фронта излучения мощных импульсных электроионизационных СОглазеров, работающих в режиме длинного импульса, при вырожденном четырехволновом взаимодействии (ВЧВВ) в элегазе, а также излучения мощных непрерывных СОг-лазеров при ВЧВВ на объемных тепловых динамических голограммах, записываемых в движущихся средах (жидкостях и газах).
Научная новизна.
Практически все результаты проведенных с участием диссертанта экспериментальных исследований были получены впервые в мире.
Впервые для импульсов в десятки микросекунд реализовано ОВФ излучения мощного импульсного ЭИ СОг-лазера с энергетической эффективностью порядка 100% и высоким качеством обращения волнового
фронта сигнальной волны. В качестве механизма ОВФ использовалось вырожденное четырехволновое взаимодействия в элегазе (SFfi).-.
Впервые экспериментально зарегистрировано образование в среде ОВФ зеркала (SFe) тепловых динамических голограмм двух типов - решетки плотности и решетки поляризуемости. Ранее исследования ВЧВВ в SF6 в режиме длинного импульса не проводились.
Впервые разработана феноменологическая модель, учитывающая влияние тепловой релаксации на теплофизические и оптические параметры среды ОВФ зеркала, на ее основе проведена интерпретация экспериментальных данных.
Впервые экспериментально продемонстрировано влияние эффекта самодифракции взаимодействующих волн на инерционность отклика ОВФ зеркала на элегазе в режиме длинного импульса.
Впервые проведено численное моделирование стационарного процесса ВЧВВ на объемных тепловых динамических голограммах, записываемых в поглощающих средах с тепловой нелинейностью, движущихся в поперечном направлении относительно штрихов голограммы.
Практическая ценность.
ОВФ зеркало на основе четырехволнового взаимодействия излучения в элегазе позволяет осуществлять с высокой энергетической эффективностью и хорошим качеством коррекцию аберраций волнового фронта излучения импульсных и частотно-импульсных ЭИ СОг-лазеров, работающих в режиме импульсов в десятки микросекунд. Использование подобных ОВФ зеркал позволяет существенно улучшить направленность излучения.ЭИ С02-лазеров с высокой средней мощностью [14*]. Результаты работы могут быть рекомендованы к использованию в лазерно-оптических системах, транспортирующих лазерную энергию на протяженных атмосферных и космических трассах, а также в лазерной технологии
Основные научные положения, выносимые на защиту.
При использовании элегаза в качестве нелинейной среды ОВФ зеркала на основе вырожденного четырехволнового взаимодействия излучения электроионизационного СОглазера, работающего в режиме длинного (с длительностью в десятки микросекунд) импульса накачки, возможна реализация обращения волнового фронта излучения с коэффициентом отражения порядка 100 %.
В режиме длинного импульса накачки основным механизмом нелинейности, обусловливающим четырехволновое взаимодействие излучения в элегазе, является температурная зависимость показателя преломления элегаза п(Т).
Отражение сигнала в этом режиме определяется тепловыми динамическими голограммами - решеткой плотности и решеткой поляризуемости.
Эффект самодифракции волн накачки приводит к перезаписи решетки показателя преломления и должен увеличивать инерционность ОВФ зеркала на элегазе при коэффициенте отражения порядка 100% '
При вырожденном четырехволновом взаимодействии на элегазе в режиме длинного импульса накачки и записи голограммы двумя короткими (длительностью порядка единиц микросекунд) сигнальными импульсами с временным скачком фазы излучения в промежутке между импульсами, коррекция фазовых искажений волнового фронта сигнальной волны во втором импульсе может быть осуществлена при временном масштабе изменения фазы сигнальной волны порядка 5 мкс.
При реализации вырожденного четырехволнового взаимодействия лазерного излучения в среднем ИК диапазоне спектра на объемных тепловых динамических голограммах, записываемых в движущихся средах (поглощающих органических жидкостях), возможно достижение коэффициентов отражения ОВФ зеркала, превышающих 400%. Высокое качество ОВФ может быть достигнуто в этом режиме лишь при использовании адаптивных схем, корректирующих термическую линзу и клин, возникающие в среде ОВФ зеркала.
Апробация работы.
Результаты работы были представлены на Всесоюзных конференциях "ОВФ-86", "ОВФ-89" и IX конференции "Оптика лазеров". Основное содержание диссертации опубликовано в четырех печатных работах [1-4}.
Экспериментальные результаты по ОВФ излучения СОг-лазера, полученные автором в ГОИ на электроионизационном лазере с длительностью импульса порядка 20 мкс, легли в основу рекомендаций, выданных в НИИКИ ОЭП для проведения экспериментов по ОВФ ЭИ (ХЬ-лазера в частотном режиме, а также использовались при проведении экспериментов ка крупномасштабном ЭИ СОг-лазере импульсно-периодического действия в ОКБ "Радуга".
Структура и объем диссертации.
Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы. Она содержит 83 страницы, в том числе 27 рисунков. Список литературы включает 65 наименований.
