Введение к работе
Диссертация посвящена разработке оптической системы и исследованию формы волнового фронта лазерного излучения мощной многоканальной установки "Искра-5" для исследований по проблеме лазерного термоядерного синтеза (ЛТС).
Актуальность работы.
Фотодиссоционные йодные лазеры (ФДЛ) для исследований по ЛТС обладают рядом достоинств. К ним относятся:
-возможность достаточно однородной прокачки больших объемов рабочего вещества и, следовательно, достижения значительной энергии лазерного излучения (ЛИ) в одном пучке;
-высокая оптическая однородность рабочей среды, позволяющая получить малую расходимость излучения;
-меньшие ограничения, связанные с лучевой прочностью среды (самофокусировка и т.п.), что позволяет увеличить мощность лазера в несколько раз, практически не снижая энергии ЛИ.
Однако реализация достоинств ФДЛ требует
значительных усилий, одно из которых связано с разработкой
ошичесхой системы (ОС) лазерной установки, в значительной
мере определяющей характеристики излучения,
взаимодействующего с мишенью. Установки для ЛТС дороги, создание их занимает значительное время, затруднительно изготовление действующих макетов. Поэтому особенно актуален предварительный анализ ОС с детальным исследованием их возможностей и способов улучшения параметров.
Цели и задачи работы.
Основной целью данной работы является оптимизация и исследование ОС йодного лазера "Искра-5" с энергией 30 кДж, мощностью более 100 ТВт и расходимостью менее 10"4 рад для высокоинтенсивного и однородного облучения различных типов мишеней. Такой лазер имеет ряд специфических особенностей: значительную длину усилительных каскадов и, следовательно, оптического тракта (250 м); большой диаметр выходных усилителей и оптических элементов (700 мм и более); высокий коэффициент усиления для слабого сигнала активной среды (Ко > 100), обостряющий проблему исключения самовозбуждения усилителей (СВ); многоханалъность.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие основные задачи:
-определить требования к пространственным характеристикам ЛИ, фокусируемого на мишень в исследованиях по проблеме ЛТС;
-провести анализ схем установок для исследований по ЛТС, на основании которого разработать ОС, позволяющую получить требуемые параметры ЛИ установки "Искра-5";
-исследовать влияние оптических элементов тракта на возбуждение усилительных каскадов с целью обеспечения их устойчивости;
-для получения расходимости ЛИ менее 10"4 рад
разработать принципы компенсации искажений
нецентрированной ОС на основании их аберрационного расчета;
-определить влияние погрешностей изготовления и юстировки оптических элементов тракта на качество пучка, найти способы минимизации возникающих аберраций;
-на основаниии численного моделирования юстировки оптического тракта исследовать различные режимы наведения лазерных пучков на мишень с целью обеспечения необходимой точности наведения;
-разработать фокусирующие системы (ФС) для обеспечения высокой интенсивности (более 1015 Вт/см ) и минимальной неоднородности (менее 10%) облучения сферических микромишеней;
-для проведения исследований физических основ рентгеновских лазеров разработать системы фокусировки излучения в отрезок;
-разработать оптические схемы для регистрации параметров ЛИ с целью их оптимизации;
-провести исследования формы волнового фронта, формируемого ОС усилительных каскадов.
Научная новизна работы заключается в следующем:
-проведено расчетное исследование однородности облучения сферической мишени в 12-ти пучковой несимметричной схеме, позволившее определить требования к пространственным параметрам излучения, фокусируемого на мишень; показана возможность симметричного облучения мишени с обращенной короной излучением 12- ти пучковой установки;
-разработана оптическая система многоканальной лазерной установки "Искра-5", параметры излучения которой: энергия 30 кДЖ мощность 120 ТВт и расходимость 5 Ю-5 рад,
-разработан и изготовлен ахроматический объектив диаметром 700 мм, с фокусным расстоянием 1100 мм и кружком рассеяния 10 мкм, позволивший провести облучение различных типов мишеней;
-проведена адаптация метода Гартманна для исследования формы волнового фронта мощных инфракрасных лазеров с целью оптимизации их параметров;
-предложен способ фокусировки лазерного излучения в отрезок с использованием сферической оптики.
Практическая значимость настоящей работы заключается в
следующем:
-показана возможность создания широкоапертурных децентрированных оптических систем многоканальных мощных лазерных установок с аберрациями, близкими к дифракционному пределу;
-разработан пакет программ, позволяющий: проводить аберрационный расчет широкого класса оптических систем, определять лучевую нагрузку их элементов, моделировать волновой фронт ЛИ, проводить расчет освещенности сферических мишеней в оптико- геометрическом приближении;
-разработана методика численного моделирования юстировки оптических систем установок для ЛТС с целью определения оптимального алгоритма наведения излучения на мишень;
-определены пути создания фокусирующих систем для высоконнтенсивного облучения мишеней различного типа;
-разработана методика исследования формы волнового фронта мощных лазеров с целью оптимизации их параметров.
Личный вклад автора в представленную работу выразился:
-в непосредственном творческом участии в разработке оптической системы установки "Искра-5' и схем для измерения параметров лазерного излучения;
-в проведении расчетных исследований, направленных на оптимизацию оптической системы тракта, различных фокусирующих систем, согласование системы лазер-мишень;
-в непосредственном участии в экспериментальных исследованиях оптической системы усилительных каналов и оптических систем измерения параметров лазерного излучения, анализе и обсуждении полученных экспериментальных данных.
Апробация работы.
Основные результаты работы докладывались на VI и VII конференциях "Оптика лазеров", г.Ленинград, 1990, 1993 гг., научных семинарах ВНИИЭФ.
По результатам исследований выпущено 30 отчетов ВНИИЭФ, опубликовано 11 статей, получено 3 авторских свидетельства.
Из представленных в диссертации результатов актор выносит на защиту следующие положения:
1. Результаты разработки и расчетных исследований
децентрированной оптической системы мощной многоканальной
лазерной установки "Искра-5", в которой при повороте линз на
углы, обеспечивающие устойчивость усилителей от
самовозбуждения, угловые аберрации не превышают 1.5* 10~5 рад
и сохраняется круглый выходной зрачок оптической системы.
2. Результаты разработки и оптимизации ахроматического
(для длин волн X = 1.315 мкм и! = 0.66 мкм) зеркально-
линзового обьектава диаметром 700 мм с фокусным расстоянием
1100 мм, имеющего кружок рассеяния 10 мкм и исправленное
поле зрения 10', позволяющего управлять освещенностью
поверхности мишени и компенсировать сферическую аберрацию
оптической системы тракта.
7 3. Результаты экспериментальных исследований аберраций оптической системы и формы волнового фронта излучения установки "Искра-5" диаметром 700 мм, проведенных адаптированным методом Гартманна и интерферометром бокового сдвига, показавшие,.что угловые аберрации системы тракта могут быть снижены до (1-2) 10"5 рад, а расходимость излучения составляет 3 10~5 рад (по уровню 80% энергии).
Объем и структура.
Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, изложенных на 129 страницах. Кроме того диссертация содержит 36 страниц рисунков, 4 страницы таблиц и IS страниц списка литературы, включающего 154 наименования работ.
