Способ измерения радиуса кривизны сферического волнового фронта гауссовых пучков импульсных лазеров

(19) (И)51) 4 С 02 Г 1/37 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯН АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(71) Институт прикладной физики АН СССР(56) Бондаренко Н.Г. и др. Усилители для неодимовых лазерных систем с однородным распределением коэффициента усиления, - "Квантовая электрони. ка , 1981, т. 8, В 9, с. 2054.Дышко А.Л. и др. О самофокусиров" ке интенсивных световых пучков. ДАН СССР, 1969, т.188, У 4, с. 792. (54)(57) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ РАДИУСА .КРИВИЗНЫ СФЕРИЧЕСКОГО ВОЛНОВОГО ФРОНТА ГАУССОВЫХ ПУЧКОВ ИМПУЛЬСНЫХ ЛАЗЕРОВ, включающий формирование с помощью линзовой системы иэ исследуемого пучка сходящегося пучка, воздействие сходящимся пучком на нелинейную среду, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повьипения точности изме. рений, воздействие на.нелинейную среду осуществляют при помощи импульса . лазера в диапазоне от критической до двух критических мощностей самофокусировки в нелинейной среде, после чего увеличивают длину нелинейной среды до исчезновения области самофокусировки и по полученной длине нелинейной среды и фокусному расстоянию линзовой Е системы определяют радиус кривизны волнового фронта исходного пучка.Изобретение относится к области квантовой электроники и может быть использовано для создания контролируемых пространственных конфигураций лазерных пучков, необходимых, например, при измерении нелинейных параметров оптических сред.Известен способ измерения радиуса кривизны сферического волнового Фрон та лазерных пучков ло минимизации в некоторой фиксированной плоскости поперечного размера пучка, прошедшего через фокусирующую линзу, посредством плавной перестройки фокуса этой 15 линзы. Икнимальное пятно соответствует такой величине фокусного расстояния Г, при которой центр волнового фронта сфокусированного пучка находится в фиксированной плоскости. По 20 расстоянию от линзы до плоскости и величине Р вычисляют радиус К.кривизны исходного пучка, Точность измерения К данным способом определяется относительной точностью Ь измерения 25 поперечного размера пучка, которая обычно составляет 103.Недостатком способа является низкая точность измерения радиуса К,ЗОАКхарактеризуемая параметром 3 =и равная о42 = 0,45, что соответствует минимально обнаруженномуотклонению 61 волнового фронта от 35плоского на радиусе, измеренному вдлинах волн 61 = /30,Недостаточная точность обусловлена принципиальными трудностями определения размеров пятна, связанными 40с необходимостью фотометрирования интенсивности на фотопленке.Наиболее близким к предложенномуявляется способ измерения радиусакривизны сферического волнового фронта гауссовых пучков импульсных лазеров, включающий формирование с помо"щью линзовой системы из исходногопучка сходящегося пучка, воздействиесходящимся лучком на нелинейную среду. В результате образуется областьсамофокусировки излучения в среде,причем по расстоянию от области самофокусировки до линзовой системы судят о кривизне волнового фронта,Недостатком способа также является низкая точность определения кривичны волнового фронта, обусловленная значительными размерами области самоФокусировки для импульсных лазеров посравнению с расстоянием этой областидо линзовой системы.Целью изобретения является повышение точности измерений.Поставленная цель достигается тем,что воздействие на нелинейную средуосуществляют лри помощи импульса лазера в диапазоне от критической додвух критических мощностей самофокусировки в нелинейной среде, получаютв выходной плоскости среды на гладкомфоне светового пятна область самофокусировки пучка, после чего увеличивают длину нелинейной среды до исчезновения области самофокусировки ипо полученной длине нелинейной средыи фокусному расстоянию линзовой системы определяют радиус кривизны волнового фронта исходного пучка.Сущность способа заключается вследующем,Для любого значения мощности пучка, лежащего в пределах РР2 Р,где Р - минимальная величина мощкрности, при которой наблюдается самофокусировка пучка, координаты точекеамофокусировкй вдоль направленияраспространения пучка составляют некоторую область. При этом дальняяграница области совпадает с центромкривизны входного лучка. Таким образом, расстояние Ь от входной плоскости среды до дальней границы области равно радиусу Кзкривизныволнового фронта пучка на входной плоскости среды (К1 /и ),Точность предлагаемого способаизмерения радиуса К кривизны волнового фронта зависит от точности аЬопределения дальней границы области,связанной с конечным продольным раз"мером нелинейного фокуса.Эксперименты по изучению продольной структуры поля в точке самофокусировки в реальной среде (стекле)показали, что продольный размер нелинейного фокуса оказался достаточноузкимб мм). Оказалось возможнымв конкретных условиях экспериментаобеспечить точность измерения Ь не61.хуже в "0,07, что соответствуетзначению параметра 8 ;0,01, при этом параметр 61 равен Ь 1 1/1200. Таким образом, экспериментально най1159431 ровки совмещ.;на с выходной плоскостью среды, а величина Г равна фокусному расстоянию линзовой системы. Прн этом радиус кривизны К вычисляется по формуле К =К (п/Ь - 1/Р )1 где и-показатель преломления нелинейной среды, К - коэффициент увеличения диаметра пучка линзовой системой.На чертеже приведена схема устрой" ства, реализующего данный способ.Устройство содержит установленные последовательно фокусирующую линзовую систему 1, например телеобъектив из двух линз, нелинейнув среду 2, наприс мер стержень из лазерного стекла ГЛС, линзу 3 и фотопленку 4. При этом линзовая система 1 расположена непосредственно перед входной плоскостьв среды 2, а линза 3 расположена между средой 2 и фотопленкой, так что выходной торец 5 среды 2 проецируется на фотопленку 4. В качестве источника излучения (не чертеже не показан) служит неодимовый лазер с длиной волны Ъ = 1,06 мкм.Сплошными линиями показан ход лучей в устройстве, пунктирными линиями - волновой фронт пучка. При использовании исследуемого пучка радиусом а =1,84 мм и мощностью в импульсе (3,3-6,б) МВт при Р = 3,3 МВт были получены следующие результаты. Минимально допустимый размер пучка при Р " Р, , ограничиваемый пробоем, составляет а- 20 мкм, что соответствуег отличив длины 4 а от Кменее, чем на 0,01, Ь = б 30 мм, ЬЬ = 6 мм, о = 0,01, Такая величина о позволяет у пучка с радиусом поперечного размера а = 1,84 мм обнаружить радиус кривизны волнового фронта К; - 2000 м. В данном конкретном слу" чае получены величина К = -183+17 и, В то же время при измерении этого же пучка способом-прототипом его ра" днус кривизны невозможно отличить от радиуса кривизны пучка с плоским . фронтом, поскольку максимальный радиус, измеряемый способом-прототипом, ограничен величиной 45 м при том же а = 1,84 мм. ВНИИПИ Заказ 5158 Тираж 533 Подписное Произв-полигр, пр-тие, г. дено, что точность измерения радиуса кривизны данным способом повышается.Существование самофокусировки внекотором сечении среды может быть5установлено по характерному распределению поперечного профиля интенсивности пучка. При исследовании поперечного профиля пучка нет необходимости в определении его размера путем фотометрирования распределения интенсивности; достаточно установить наличие характерной более узкой интенсивной области самофокуси 15ровки на гладком Фоне пятна. В качестве нелинейной среды могут бытьиспользованы вещества, в которых эффект самофокусировки достигается завремя импульса при характерной дляисследуемого излучения мощности,например керровские жидкости, прозрачные диэлектрики с электроннойиелинейностью,Так как в .действительности самоФокусировка пучка ограничивается некоторым минимальным поперечным размером, .зависящим от конкретного механизма ограничения поля в среде,то дальняя граница области самофокусировки находится несколько ближе квходу в нелинейную среду, чем центркривизны волнового фронта пучка.Этосистематическая ошибка и она можетбыть для известной конфигурации пучка в среде учтена при определении 35радиуса кривизны, что позволяетповысить точность измерений,Поскольку на практике всегда используется нелинейная среда конечной 40длины, то целесообразно расстояние Ьот входной плоскости среды до дальней границы области самофокусировкивыбрать равным длине среды. При этомсовмещение дальней границы областисамофокусировки с выходной плоскостьюсреды осуществлять путем подбора длины образцов. В этом случае для вычисдения радиуса кривизны исходногопучка расстояние Ь берется равнымдлине нелинейной среды, при которойдальняя граница области самофокусиУжгород, ул. Проектная, 4