CC BY
27
УДК 53.072
ИЗМЕРЕНИЕ МАЛЫХ ФАЗОВЫХ ИСКАЖЕНИЙ ВЫСОКОЧУВСТВИТЕЛЬНЫМ ДАТЧИКОМ ШАКА - ГАРТМАНА
Владимир Иванович Трунов
Институт лазерной физики СО РАН, 630090, г. Новосибирск, пр. Академика Лаврентьева, 13/3, кандидат физико-математических наук, ведущий научный сотрудник, тел. (383)330-98-36, e-mail: [email protected]
Константин Владимирович Губин
Институт лазерной физики СО РАН, 630090, г. Новосибирск, пр. Академика Лаврентьева, 13/3, кандидат технических наук, научный сотрудник, тел. (383)330-98-36, e-mail: [email protected]
Ксения Алексеевна Иванова
Институт лазерной физики СО РАН, 630090, г. Новосибирск, пр. Академика Лаврентьева, 13/3, аспирант, тел. (383)330-98-36, e-mail: [email protected]
Александр Григорьевич Полещук
Институт автоматики и электрометрии СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Коптюга, 1, доктор технических наук, зав. лабораторией дифракционной оптики, тел. (383)333-30-91, e-mail: [email protected]
Андрей Георгиевич Седухин
Институт автоматики и электрометрии СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Коптюга, 1, кандидат технических наук, старший научный сотрудник, тел. (383)336-41-08, e-mail: [email protected]
Вадим Владимирович Черкашин
Институт автоматики и электрометрии СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Коптюга, 1, научный сотрудник, тел. (383)333-30-91, e-mail: [email protected]
Приводятся результаты исследования распределения плотности в малоразмерной (диаметр 1^2 мм) сверхзвуковой газовой струе в вакууме. Измерения проводились разработанным датчиком волнового фронта Шака - Гартмана, состоящего из 100 х 100 микролинзовой матрицы и видеокамеры с форматом 2048 х 2048 пикселей.
Ключевые слова: газовая струя, датчик Шака - Гартмана, анализ волнового фронта.
MEASUREMENT OF SMALL PHASE DISTORTIONS OF A HIGHLY SENSITIVE SENSOR SHACK-HARTMANN
Vladimir I. Trunov
Institute of Laser Physic SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, 13/3 Аkademik Lavrentiev Prospect, Ph. D, senior research scientist, tel. (383)330-98-36, e-mail: [email protected]
Konstantin V. Gubin
Institute of Laser Physic SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, 13/3 Аkademik Lavrentiev Prospect, Ph. D., scientist, tel. (383)330-98-36, e-mail: [email protected]
Kseniya A. Ivanova
Institute of Laser Physic SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, 13/3 Akademik Lavrentiev Prospect, graduate student, tel. (383)330-98-36, e-mail: [email protected]
Alexander G. Poleshchuk
Institute of Automation and Electrometry SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, 1 Akademik Koptyug Prospect, D. Sc., Head of Laboratory of the Diffraction Optics, tel. (383)333-30-91, e-mail: [email protected]
Andrey G. Sedukhin
Institute of Automation and Electrometry SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, 1 Akademik Koptyug Prospect, Ph. D., senior researcher, tel. (383)336-41-08, e-mail: [email protected]
Vadim V. Cherkashin
Institute of Automation and Electrometry SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, 1 Akademik Koptyug Prospect, researcher, tel. (383)333-30-91, e-mail: [email protected]
The results of the investigation of the density distribution in a small-sized (diameter R2 mm) supersonic gas flow in a vacuum are presented. The measurements were carried out by a developed Shak - Hartmann wavefront sensor consisting of a 100 x 100 lenslet array and camera with 2048 x 2048 pixels resolution.
Key words: gas flow, Shack - Hartmann sensor, wavefront analysis.
Проблема регистрации малых волновых искажений является актуальной при исследовании широкого класса физических явлений. К одной из таких задач относится разработка эффективных методов регистрации параметров волнового фронта излучения, прошедшего через поле потока газа. Искажения фронта могут быть обусловлены вариациями показателя преломления, связанными с изменениями плотности, скорости или температуры потока. Анализ этих искажений позволяет выявить особенности формирования газовой струи.
В работе, с использованием разработанного датчика Шака - Гартмана, исследовано распределение плотности в малоразмерной (диаметр 1^2 мм) сверхзвуковой газовой струе в вакууме. Такую струю планируется использовать в стартовавшем в ИЛФ СО РАН проекте с лазерно -кильватерным ускорением электронов [1] В этом процессе электроны будут захватываться из плазмы и ускоряться до энергий ~ 50^100 МэВ полем продольной кильватерной волны (см. рис. 1). Причем и формирование плазменного канала, и раскачка волны производится одним и тем же мощным суб -петаватным фемтосекунд-ным лазерным импульсом [2] в сверхзвуковой газовой струе. Необходимые параметры струи: диаметр 1.2^1,8 мм, плотность газа 1019^1019 см-3, ширина фронтов не более 0.2^0.3 мм, число Маха 3^4. Сверхзвуковое течение струи формируется в разработанном нами сопле Лаваля с быстрым импульсным газовым клапаном.
В такой схеме критическое значение приобретает контроль размеров, плотности и пространственного профиля газовой струи, а в дальнейшем, плазменного канала. Обычно, для решения данной задачи используется диагностика
на основе интерферометра Маха - Цандера [3]. Такие схемы позволяют уверенно контролировать объекты с набегом фазы порядка 2п и более. Этого вполне достаточно для практически всех плазменных шнуров или газовых струй с линейной плотностью МЬ ~ 1019 см-2 и выше, где КЬ = | п {I) Ш, интеграл плотности газа п(1) по пути I. Однако, в нашем случае характерная интегральная плотность струи не более 1018 см-2. При использовании азота это даст набег фазы ~ 0.3-2п, а для основного рабочего газа - гелия - еще меньше. В таких условиях, использование датчика Шака - Гартмана, с его высокими чувствительностью и временным разрешением, является предпочтительным.
Рис. 1. Схема ускорения электронов (а) и расчетный профиль плотности струи на разном расстоянии от выхода сопла (б): 0, 0.25, 0.5, 0.75 и 1 мм
В работе исследовалось распределение плотности газа в струе с дозвуковым и сверхзвуковым характером течения, а также динамика формирования струи (время установления стабильного характера течения). Учитывая малое минимальное время накопления сигнала ПЗС камеры (~ 100 мкс) и наличие внешней синхронизации, стало возможным исследовать динамику развития струи в суб-миллисекундном диапазоне. Полученные данные приведены на рис. 2. Как видно, стационарный профиль струи формируется, начиная примерно с 4 мс от момента начала открывания импульсного клапана и сохраняется до момента окончания импульса питания клапана.
Далее по полученным данным обратным преобразованием Абеля был восстановлен профиль плотности газа в струе при различных входных давлениях клапана. В результате установлено, что максимальная плотность струи составляет (5^10)1019 см-3 в диапазоне входных давлений газа в сопло 5^9 атм и линейно зависит от давления. Это соответствует расчетным данным (рис. 1). Один из полученных профилей показан на рис. 3.
Рис. 2. Фазовый портрет струи (указаны время момента измерения, отсчитываемое от времени подачи открывающего импульса на клапан и максимальная фаза на изображении)
Рис. 3. Фазовый портрет (сверху) и восстановленное распределение плотности (снизу) для сверхзвуковой (слева) и дозвуковой (справа) струи. На осях указаны координаты в мкм, цветовая шкала фазы дана в рад, шкала плотности - в см-3
Для сравнения, на рис. 3 также приведен фазовый профиль и профиль интенсивности в струе с дозвуковым характером истечения газа в специально изготовленном цилиндрическом сопле. Отчетливо наблюдается качественная разница - длина факела дозвуковой струи в несколько раз меньше, чем сверхзвуковой, т.е. течение газа в струе, сформированной соплом Лаваля действительно носит сверхзвуковой характер.
Принцип действия датчиков Шака - Гартмана основан на измерении локальных наклонов волнового фронта, которые пропорциональны локальным смещениям фокальных пятен в плоскости регистрации. Основным условием корректной работы датчика является гладкость функции волнового фронта в пределах отдельной апертуры линзового растра. Для оценки кривизны волнового фронта была создана программа, в основу которой положено представление поверхности волнового фронта в виде разложения в ряд по полиномам Цернике с неизвестными коэффициентами. В качестве базиса разложения использован ряд из 200 полиномов Цернике. Определяющее значение при работе с датчиком Шака - Гартмана является его калибровка. В датчике Шака - Гартмана был использован аподизированный микролинзовый растр фирмы SUSS Microüptics с размером микролинз 110 х 110 мкм2 и их фокусным расстоянием 4 мм, а также GigE видеокамера Ace фирмы Basler c CMOS сенсором фирмы CMOSIS с разрешением 2048 х 2048 пикселей и площадью пикселя 5,5 х 5,5 мкм2.
В работе использованы методы калибровки результатов измерения по плоскому и сферическому волновым фронтам [4]. Пространственное разрешение калибровалось по дифракционной картине от непрозрачного экрана [5]. В качестве примера на рис.4 представлена карта волнового фронта, прошедшего через центральную зону интроакулярной линзы диаметром 1 мм.
Рис. 4. Вид окна программы анализа гартманограмм с результатами проверки
разрешающей способности датчика
Таким образом, в работе показано, что разработанный датчик Шака -Гартмана позволяет в простой однолучевой схеме регистрировать слабые фазовые искажения (<0.1 X) с высоким временным разрешением (<100 мксек).
Данная работа была выполнена в рамках продолжения междисциплинарного интеграционного проекта № 112 Президиума Сибирского отделения РАН.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Laser-driven plasma wakefield electron acceleration and coherent femtosecond pulse generation in X-ray and gamma ranges / V. I. Trunov, K. V. Lotov, K. V. Gubin, E. V. Pestryakov, S. N. Bagayev, P. V. Logachev // IOP Conf. Series: Journal of Physics: Conf. Series 793 (2017) 012028.
2. Coherent combining of multimillijoule parametric-amplified femtosecond pulses / V. E. Leshchenko, V. I. Trunov, S. A. Frolov, E. V. Pestryakov, V. A. Vasiliev, N. L. Kvashnin1, S. N. Bagayev // Laser Physics Letters, Volume 11, Issue 9, article id. 095301 (2014).
3. High-quality electron beams from a laser wakefield accelerator using plasma-channel guiding / C. G. R. Geddes et al. // Nature, Vol. 431(2005), No 7008, p. 538-541.
4. Датчик Шака - Гартмана - как элемент системы контроля высокомощных лазерных пучков / А. Г. Полещук, А. Г. Седухин, В. Г. Максимов, В. А. Тартаковский, В. И. Трунов // Интерэкспо ГЕ0-Сибирь-2013. IX Междунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «СибОп-тика-2013». Дифракционные и интерференционные системы и приборы : сб. материалов (Новосибирск, 15-26 апреля 2013 г.). - Новосибирск : СГГА, 2013. - С. 93-97.
5. Poleshchuk A. G., Sedukhin A. G. Diffraction technique for testing the resolution and sensitivity of Hartmann and Shack - Hartmann sensors //Optics Letters, 2015. Vol. 40, (No. 21) 50505053.
© В. И. Трунов, К. В. Губин, К. А. Иванова, А. Г. Полещук, А. Г. Седухин, В. В. Черкашин, 2017
