CC BY
24ВКВ0-2019 Стендовые
УЛУЧШЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ СХОДИМОСТИ СИСТЕМЫ КОГЕРЕНТНОГО СЛОЖЕНИЯ ИЗЛУЧЕНИЯ СЕМИКАНАЛЬНОГО ОПТОВОЛОКОННОГО ЛАЗЕРА
Козлова Т.И.*, Коновальцов М.И., Течко О.Л., Тютин С.В., Хохлов С.В.
Российский Федеральный Ядерный Центр
Всероссийский Научно-Исследовательский Институт Экспериментальной Физики, г. Саров
*
DOI 10.24411/2308-6920-2019-16207 В настоящее время волоконные лазеры широко применяются в таких технологических процессах как, например, лазерная резка, сварка [1]. Однако, при отдалении обрабатываемого объекта, интенсивность осевого воздействия значительно ослабляется [1]. Одной из причин является высокая расходимость излучения современных мощных лазерных систем, которые в большинстве своём являются многомодовыми. Одномодовые излучатели имеют лучшее качество лазерного пучка и могли бы решить проблему доставки лазерного излучения на удалённый объект. Однако при прохождении лазерным пучком протяженной атмосферной трассы фаза излучения в каждой точке его апертуры произвольным образом меняется. Происходит это из-за турбулентных завихрений воздуха, меняющих показатель преломления среды.
Одним из решений данной проблемы является создание систем на основе фазового сложения многоканального лазерного излучения [2-3]. Осевая сила света фазируемого излучения напрямую зависит от коэффициента заполнения суммарной апертуры [4]. Кроме того, размер дифракционного максимума суммарного излучения определяется только длиной волны и расстоянием между субапертурами. Наиболее оптимальным является гексагональное расположение лазерных источников, число которых может быть 7, 19, 37 и т.д. В результате такого расположения возможно повышение осевой интенсивности на удаленном расстоянии ввиду малой расходимости сфазированного излучения.
Регулировка фаз в каждом канале может осуществляться методом итерационного стохастического параллельного градиентного (СПГ) алгоритма [2,3] за счет подачи управляющих напряжений на модуляторы. При использовании модуляторов на основе пьезокерамических элементов, частота работы системы не превышает 5 кГц. Такое ограничение вызвано их механической природой и возникающим явлением резонанса. Другой тип корректирующих фазу устройств - электрооптические модуляторы, которые могут быть либо быть внешними, либо встроенными в волоконную лазерную систему. В случае внешних модуляторов, например, на основе кристаллов LiNbO3, предельная частота работы СПГ-алгоритма составляет 14кГц [2]. Ограничение обусловлено временем переходных процессов в системе управления из-за значительной амплитуды подаваемых на модуляторы напряжений (около 0,7 кВ). Кроме того система не является цельноволоконной, требуется дополнительная юстировка, а также возможны потери излучения на границе двух сред воздух-кристалл. Встроенные волоконные фазовые модуляторы, (напр., на основе LiNbO3), лишены вышеприведенных ограничений. В них явление резонанса наступает при ГГц-частотах, амплитуда управляющего напряжения не превышает нескольких вольт, что значительно сокращает время переходных процессов, и упрощает систему управления.
Целью данной работы является создание системы фазового сложения для случая семиканального лазерного излучения с помощью СПГ-алгоритма, используя для управления фазой электрооптические волоконные модуляторы на основе LiNbO3, что позволит повысить быстродействие системы и уменьшить полное время фазирования. На рис.1 приведена схема эксперимента. Для фазирования была создана одночастотная оптоволоконная восьмиканальная лазерная система (1) YFL-SF-1064-2-8Ch с поляризованным излучением, устройство которой приведено на рис. 2. Для сохранения поляризации лазерная система была собрана на «polarization mounted» волокне. Излучение, выходящее из патчкордов, попадало на семь гексагонально расположенных собирающих линз, закрепленных в оправе (2), геометрия которой приведена на рис. 3. Сколлимированное излучение проходило через двухлинзовую систему, состоящую из собирающей (3) и рассеивающей (4) линз. Данные линзы были установленные так, чтобы на дистанции около 7 м
Рис. 1. Схема эксперимента 1 - волоконный лазер со встроенными фазовыми модуляторами, 2 - сборка из 7 собирающих линз, 3 - собирающая линза, 4 - рассеивающая линза, 5, 6 - глухие зеркала, 7 - оптический клин, 8 - ССБ-камера, 9 - фотодиод, БУФМ - блок управления фазовыми модуляторами
№6 2019 СПЕЦВЫПУСК «ФОТОН-ЭКСПРЕСС-НАУКА 2019» [email protected]
395
ВКВО-2019- Стендовые
сформировать эквивалентный фокус 100 м. Затем излучение для визуализации поступало на CDD-камеру (8), отраженное от оптического клина (7) - фотодиод (9), расположенные в фокальной плоскости двухлинзовой системы. Фотодиод (9) измерял осевую интенсивность, которая является целевой функцией для СПГ-алгоритма, по изменению которой блок управления БУФМ осуществлял корректировку фаз в каналах, подавая на встроенные в лазерную систему электрооптические фазовые модуляторы волновые напряжения.
Рис. 3. Геометрия сборки (2)
Рис. 2. Устройство лазерной системы (1) I -система предусиления, II - система деления, III - система усиления, IV - система управления, ЗГ - задающий генератор, ДН - диоды накачки, У - усилители, Д - делители, ЭОМ - электрооптические модуляторы Линейно поляризованное лазерное излучение со степенью поляризации 0,99 имело ширину линии генерации менее 10 кГц, что соответствует длине когерентности 30 км. Максимальная мощность излучения на выходе каждого из каналов составила 100 мВт. Результирующая апертура лазера составила D = 220 мм (см. рис.3), состоящая из субапертур размером d = 68 мм. Коэффициент заполнения апертуры определяется, как отношение площади, занимаемой субапертурами, к площади
результирующей апертуры: 7 , и равен 0,67. Изображение в случае когерентного сложения
семиканального излучения в дальней зоне приведено на рис.4. Были исследованы пространственные характеристики сфазированного излучения. С помощью CCD-камеры (8) экспериментально определена расходимость излучения 1,3-10"5 рад, что составляет 1,03 от значения дифракционной расходимости.
Рис. 4. Сфазированное излучение в дальней зоне
5 10
Время, мкс
Рис. 5. Длительность итераций
Рис. 6. Время фазирования
За счет использования специального блока управления фазовыми модуляторами достигнуто значительное увеличение частоты работы системы. Были измерены волновые напряжения для электрооптических модуляторов, значения которых равны 2 В. Согласно рис. 5 длительность одной итерации 4,4 мкс, соответствующая частота 227 кГц. Полное время фазирования, оправляемое согласно критерию Марешаля по уровню 0,8 [5], равно 0,2 мс (см. рис. 6). Таким образом, значение было уменьшено в 15 раз по сравнению с полученным ранее значением 3 мс [2].
В ходе работы продемонстрировано когерентное сложение семиканального излучения с расходимостью, близкой к дифракционной. Впервые в России зафиксирована частота работы системы фазирования, многократно превышающая полученные ранее значения. Ожидается, что такой частоты будет достаточно, чтобы корректировать атмосферные изменения на протяженной воздушной трассе.
Литература
1. Зайцев А.В. и др., Квантовая Электроника, 37, №9, 891-892 (2007)
2. Волков В.А. и др., Квантовая Электроника, 44, №11, 1039-1042 (2014)
3. Волков В.А. и др., Квантовая Электроника, 43, №9, 852-856 (2013)
4. Волков В.А. и др., Квантовая Электроника, 45, №12, 1125-1131 (2015)
5. Марешаль А., Франсон М., Структура оптического изображения, Москва: Мир, с.295 (1964)
396
№6 2019 СПЕЦВЫПУСК «ФОТОН-ЭКСПРЕСС-НАУКА 2019» [email protected]
