На качество пучка излучения лазера большой мощности большое влияние оказывают термические эффекты в активных средах. Температурные флуктуации приводят к модуляции коэффициента преломления среды. Адаптивная оптика позволяет скорректировать искажения, вносимые флуктуациями коэффициента преломления и улучшить параметры пучка излучения.
Рассмотрим оптическую систему с адаптивной оптикой для мощных лазеров на примере Ti:Al2O3-лазера ATLAS. Ti:Sa-лазерный комплекс АТЛАС был создан в институте квантовой оптики им. Макса Планка для исследования распространения импульсов сверхвысокой интенсивности через плазму низкой плотности, для рентгеновской и УФ спектроскопии горячей плазмы с высокой плотностью излучения гармоник от твердых и газообразных мишеней, ядерных реакций, индуцируемых лазерным излучением и др. Преимуществом Ti:Sa - лазера является возможность создания высокой энергией в импульсе и минимальной длительностью импульсов, возможность перестройки рабочей длины волны излучения от 650 до 1000 нм.
На основе деформируемого биморфного зеркала и датчика волнового фронта шак-гартмановского типа была разработана адаптивная система коррекции лазерного излучения. Ее использование позволило значительно улучшить качество излучения. Это подтверждено в действующей лазерной установке достижением острой фокусировки и высокой плотности мощности излучения в фокусе. Была показана возможность формирования и коррекции излучения мощного фемтосекундного лазера с помощью двух биморфных зеркал вне оптического резонатора. В Тi:Аl203-лазере мощностью импульсов 10 ТВт при длительности 150 фс была получена плотность излучения 4 • 1019 Вт/см2 на плоскости фокусировки.
Данная оптическая система с замкнутой обратной связью, основанная на алгоритме фазового сопряжения, включала в себя деформируемое биморфное зеркало и датчик волнового фронта шак-гартмановского типа. В лазере со сверхкороткими импульсами, созданном для фундаментальных исследований в области физики высоких энергий эта система использована для повышения качества фокусировки излучения.
Выходная мощность твердотельного лазера зависит от размеров лазерного кристалла. Количество дефектов кристалла растет с увеличением размера кристалла. Также, теплоотвод в крупных кристаллах значительно затруднен. Широкоапертурный активный кристалл Ti:Al2O3, имеющий ростовые дефекты и неоднородную термолинзу при накачке не позволяет получить на мишени фокальное пятно, близкое к дифракционному пределу. Другими словами, из-за конструктивных особенностей данного лазера трудно обеспечить высокое качество выходного излучения. Но в тоже время проблему фокусировки можно решить с помощью коррекции волнового фронта излучения методами адаптивной оптики.
Адаптивная оптическая система состояла из:
- корректора,
- датчика волнового фронта,
- электронной системы управления
- программного обеспечения.
Адаптивная система должна обеспечить на выходе из системы волновой фронт, с соответствующим требуемому распределению фаз (как правило, является плоским).
Часть входящего в систему излучения с помощью светоделительной пластины ответвляется на датчик волнового фронта, данные с которого поступают в компьютер. По специальной программе анализируется волновой фронт и вычисляются напряжения, которые необходимо подавать на электроды корректора. Подача напряжений осуществляется автоматически с помощью электронной системы управления.
Корректор волнового фронта
Корректор волнового фронта является ключевым элементом любой адаптивной оптической системы и определяет структуру и возможности всей системы.
Требования предъявляемые к корректору: эффективность воспроизведения аберраций волнового фронта, температурная стабильность поверхности, лучевая стойкость покрытия, широкий диапазон деформации поверхности при небольшом количестве управляющих электродов, простота изготовления, а также низкая стоимость.
Наиболее полно удовлетворяет этим требованиям биморфное зеркало, состоящее из.
подложки с отражающим покрытием
приклеенным к подложке пьезокерамических дисков (рис. 1).
Для коррекции общей кривизны поверхности (аберрация, дефокусировка) служит внутренний пьезодиск со сплошными электродами. Для воспроизведения аберраций низших порядков, таких, как астигматизм, кома, сферическая аберрация и т. д. на поверхности второго диска выполнены электроды в виде секторов. На рис. 1 показаны возможные схемы расположения электродов. Количество необходимых электродов и их размер определяются внешними условиями, например характерным видом искажения волнового фронта и пространственным масштабом искажений.
Датчик волнового фронта.
Датчиком волнового фронта осуществляется измерение волнового фронта в процессе работы адаптивной системы. Как уже было отмечено, в данной системе использовался датчик шак-гартмановского типа. Данный датчик менее чувствителен к механическим вибрациям и, что наиболее важно для данной задачи, способен работать с импульсным излучением фемтосекундного диапазона длительности.
Алгоритм работы адаптивной системы с замкнутой обратной связью
Принцип работы адаптивной оптической системы основан на воспроизведении поверхностью зеркала фазового распределения, сопряженного к корректируемому волновому фронту. Управление поверхностью биморфного зеркала осуществляется путем подачи напряжений на электроды. Во время работы системы датчик измеряет текущий волновой фронт. Любое искажение волнового фронта, представленное в виде вектора смещений пятен, может быть разложено в ряд по функциям отклика, а коэффициентами разложения и будут напряжения, которые необходимо приложить к электродам зеркала, но с обратным знаком.
Для коррекции излучения и улучшения качества фокусировки в Ti Аl203-лазере АТЛАС была использована следующая схема.
Лазер генерировал импульсы с энергией 1.5 Дж и длительностью 130 фс при частоте повторения 10 Гц. Так как волновой фронт на выходе из лазера был искаженным, качество фокусировки оказалось изначально плохим. Как показали измерения в ближнем поле, распределение интенсивности было изначально очень неравномерное и максимальная плотность энергии достигала 300 мДж/см2(рис. 2, а). Эта величина превышала предельную плотность разрушения дифракционной решетки, используемой для сжатия импульсов. Поэтому энергия импульсов выходного излучения ограничивалась величиной 0.5 Дж, что значительно меньше энергии (1.5 Дж), возможной при максимальной энергии накачки 5 Дж. Только выравняв распределение интенсивности, можно было повысить энергию накачки активного кристалла. Для этой цели в оконечном усилителе было установлено биморфное зеркало А (см. табл. 1). В результате оптимизации формы поверхности этого зеркала получено более однородное распределение интенсивности (рис. 2, б) с максимальной плотностью энергии, не превышающей 90 мДж/см2 [10]. Это позволило увеличить энергию накачки и получить энергию выходных импульсов 1.5 Дж.
Для коррекции непосредственно волнового фронта излучения использовалось второе биморфное зеркало Б (см. табл. 1), которое управлялось в автоматическом режиме с помощью адаптивной системы.
На рис. 3 представлены измеренные распределения интенсивности в фокусе до коррекции и после нее. Рис. 3, а соответствует излучению лазера с энергией в импульсе 1.3 Дж, диаметр фокального пятна <25 мкм. Плотность мощности в фокусе 6 • 1017 Вт/см2 . Включение адаптивной системы значительно улучшило качество фокусировки (рис. 3, б). При той же энергии в импульсе 1.3 Дж в круге дифракционно-ограниченного размера (dо = 5.5 мкм) концентрировалось уже 65 % энергии излучения. Плотность мощности в фокальном пятне оценивалась величиной 4 • 1019 Вт/см2, что почти на два порядка выше, чем до коррекции.
