CC BY
71
УДК 621.031.585
УЛУЧШЕНИЕ РАСХОДИМОСТИ ИЗЛУЧЕНИЯ ЛЯН В ДАЛЬНЕЙ ЗОНЕ С ПОМОЩЬЮ ВНУТРИРЕЗОНАТОРНОГО УГЛОВОГО ФИЛЬТРА
А.А. Пикулев, В.М. Цветков, П.В. Соснин
Институт ядерной и радиационной физики ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ», г. Саров E-mail: pikulev@expd.vniief.ru
Представлены результаты экспериментального и аналитического исследования улучшения параметров излучения лазеров с ядерной накачкой с помощью внутрирезонаторного углового фильтра. Для диаметра диафрагмы 2 мм достигнуто снижение расходимости излучения в 3 раза по горизонтали и в 2 раза по вертикали. Максимальное значение энергетической яркости излучения 9 кДж/ср получено для диаметра диафрагмы 5 мм, что на 20 % выше, чем яркость излучения при отсутствии диафрагмы.
Ключевые слова:
Лазеры с ядерной накачкой, угловой фильтр, параметры лазерного пучка в дальней зоне, яркость излучения.
Key words:
Nuclear-pumped lasers, angular filter, laser beam parameters in far-field, luminosity.
В последнее время при исследовании лазеров с ядерной накачкой (ЛЯН) [1] значительное внимание уделяется решению вопросов, связанных с формированием излучения многоканальных лазерных установок. В связи с этим возникает задача улучшения параметров лазерного пучка в дальней зоне.
Одним из распространенных методов решения данной задачи является использование углового фильтра, который выделяет моды низкого порядка, имеющие минимальную расходимость [2]. Дополнительным преимуществом этого метода является независимость расходимости лазерного излучения в дальней зоне от влияния оптических неоднородностей, возникающих в каналах ЛЯН в процессе накачки [3].
В данной статье приведены результаты экспериментального и расчетно-аналитического исследования метода улучшения параметров лазерного пучка в дальней зоне с помощью внутрирезонатор-ного углового фильтра.
Экспериментальные исследования проводились на двухканальной лазерной установке с ядерной накачкой ЛУНА-2М [4], которая состоит из двух параллельно расположенных, идентичных по конструкции и условиям облучения лазерных кювет. Внутри каждой кюветы помещены параллель-
но друг другу на расстоянии 2 см две плоские алюминиевые пластины шириной 6 см и длиной 200 см. На обращенные внутрь поверхности пластин нанесены различными методами тонкие слои из окиси-закиси 235и толщиной ~3 мг/см2. Возбуждение газовой среды осуществлялось осколками деления 235и, вылетающими из тонкого слоя окиси-закиси урана при взаимодействии ядер 235и с нейтронами. В качестве источника нейтронов использовался реактор ВИР-2М [5]. Длительность импульса накачки на половине высоты составляла
3,2 мс, энерговыделение в активной зоне реактора - (54±2) МДж.
При проведении экспериментов использовалась смесь Ие/Лг/Хе (380:380:1), давление 1 атм, длина волны генерации - 2,03 мкм. Средняя по объему лазерных каналов мощность накачки в максимуме реакторного импульса составляла ~40 Вт/см3.
Коэффициенты пропускания глухого (сферическое, с радиусом 10 м) и полупрозрачного (плоское) зеркал резонатора на длине волны 2,03 мкм соответственно были равны 0,2 и 11,9 %. Внутри резонатора размещался угловой фильтр, представляющий собой комбинацию линзовой системы и ирисовой диафрагмы.
Перед проведением экспериментов были выполнены расчеты оптической схемы, основным назначением которых было определение оптимального положения внутрирезонаторных линз и диафрагмы, обеспечивающего устойчивость оптического резонатора в течение реакторного импульса.
Схема проведения экспериментов представлена на рис. 1.
Для определения энергетических параметров излучения часть излучения (около 8,5 %), отводилась от основного пучка посредством делительной пластинки и регистрировалось с помощью измерителя энергии ИМО-2Н. Регистрация формы импульса производилась с помощью фотодиода РБ24-05. Перед фотодиодом для увеличения однородности засветки было установлено матовое стекло. Автограф лазерного пучка (дальняя зона) регистрировался на термочувствительной мишени.
Импульсы генерации для нескольких й приведены на рис. 2.
£, мс
Рис. 2. Импульсы генерации для различных диаметров диафрагмы: 1) импульс реактора, отн. ед.; 2) лазерный импульс для с1=10 мм; 3) 7 мм; 4) 5 мм; 5) 3,5 мм; 6) 2 мм
При расчетном определении мощности и энергии генерации лазера с внутрирезонаторным угловым фильтром возникают три основные задачи: 1) определение оптических неоднородностей в лазерном канале; 2) определение модовой структуры электромагнитного поля в оптическом резонаторе в отсутствии эффектов усиления и поглощения излучения; 3) расчет мощности и энергии генерации.
Для определения оптических неоднородностей была использована газодинамическая модель [6], модифицированная на случай неоднородного распределения мощности накачки по длине лазерной кюветы.
При проведении расчетов распространения излучения в оптическом резонаторе применялась квадратичная аппроксимация показателя преломления в направлении, поперечном к оптической оси. Поскольку такая оптическая система является линейной, для описания распространения излучения в оптическом резонаторе был использован хорошо разработанный аппарат матричной оптики [2].
Ниже приведены основные результаты расчетов.
Зависимость площади поперечного сечения лазерного пучка внутри оптического резонатора от времени представлена на рис. 3 (диаметр диафрагмы й=2 мм). Из рисунка видно, что вплоть до момента времени 7,2 мс наблюдается уменьшение площади сечения, а затем - увеличение. Максимальное сечение лазерного пучка в активном объеме составляет 2,25 см2, а минимальное - 0,7 см2.
диафрагма
"''.Я II ~ -
_ И - .-7'" —П-'Д 3 Ьг ■ • /*' »гг Л-/ к Г
- Л I I | I I Л- Ё' я! и г В/ ^ 1
0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5
х, м
Рис. 3. Распределение площади сечения лазерного пучка внутри резонатора в различные моменты времени (С=2 мм): 1) до импульса; 2) 3,6 мс; 3) 4,8 мс; 4) 6 мс; 5) 7.2 мс; 6) 8,4 мс; 7) конец импульса
3) Расчеты мощности и энергии генерации проводились по формуле Ригрода [7]. При проведении расчетов были использованы следующие параметры лазерно-активной среды [8]: коэффициент усиления слабого сигнала пропорционален мощности накачки и в максимуме реакторного импульса составляет 1,2 м-1; коэффициент распределенных потерь - 0,01 м-1; интенсивность насыщения -50 Вт/см2. Длина активной среды - 2 м. Результаты расчетов приведены на рис. 4, 5.
Результаты расчета показывают, что при отсутствии оптических неоднородностей зависимости энергии и мощности генерации от диаметра диафрагмы можно разделить на три участка: 1) квадратичный рост энергии и мощности генерации (0<й<2 мм); 2) линейный рост энергии и мощности генерации (3<й<5,5 мм); 3) мощность и энергия генерации не зависят от диаметра диафрагмы (й>7 мм).
На рис. 4 приведены экспериментальные и расчетные значения энергии генерации в зависимости от диаметра диафрагмы. Из рисунка видно, что расчет, проведенный с учетом оптических неоднородностей, хорошо описывает результаты эксперимента (относительное различие не превышает
10...15 %).
Из рис. 4 видно, что и в расчете, и в эксперименте, критическое значение диаметра диафрагмы составляет 7...8 мм; при больших значениях диаметра энергия генерации является постоянной, для меньших значений энергия генерации падает. При этом сначала наблюдается линейное падение, связанное
с обрезанием размера пучка по горизонтали (ось 0х), а потом - квадратичное, обусловленное обрезанием поперечного размера лазерного пучка в резонаторе по двум направлениям (по осям 0х и 0у).
О 2 4 6 8 10
а, мм
Рис. 4. Энергия генерации в зависимости от диаметра диафрагмы: 1) эксперимент; 2) расчет с учетом оптических неоднородностей; 3) расчет без учета оптических неоднородностей
Зависимость максимальной мощности генерации от диаметра диафрагмы для расчета и эксперимента представлена на рис. 5.
Автографы лазерного пучка в дальней зоне в порядке уменьшения диаметра диафрагмы приведены на рис. 6.
Размеры автографа и расходимость излучения в дальней зоне по осям 0х и 0у в зависимости от диаметра диафрагмы представлены на рис. 7. На рисунке также приведена теоретическая зависимость, полученная без учета влияния оптических неоднородностей. Учет оптических неоднородностей приводит к увеличению расходимости излучения по вертикали (ось 0у), и к незначительному уменьшению расходимости излучения по горизонтали (ось
0х). Как видно из рисунка, для диафрагмы с диаметром 2 мм расходимость излучения уменьшается с
13...18 мрад по горизонтали и 8...11 мрад по вертикали до 5...6 мрад по обоим направлениям.
0 2 4 б 8 10
с1, мм
Рис. 5. Максимальная мощность генерации в зависимости от диаметра диафрагмы: 1) эксперимент; 2) расчет с учетом оптических неоднородностей; 3) расчет без учета оптических неоднородностей
В экспериментах удалось уменьшить расходимость в 3 раза по горизонтали и в ~2 раза по вертикали. Это уменьшение расходимости сопровождается уменьшением поперечных размеров лазерного пучка в 3 раза по оси 0х и ~2 раза по оси 0у.
На рис. 8 приведены энергетическая интенсивность излучения на светочувствительной бумаге и соответствующая ей энергетическая яркость в зависимости от диаметра диафрагмы. Из рисунка видно, что уменьшение диаметра диафрагмы с 10 до 5 мм приводит к незначительному (18...-20) % увеличению энергетической яркости излучения, максимальное значение которой составляет около 4,5 кДж/ср для полного автографа и 9 кДж/ср для керна автографа. Дальнейшее уменьшение диаме-
тра диафрагмы приводит к падению яркости излучения, которая для d=2 мм составляет 2,2 кДж/ср для полного автографа и 3,9 кДж/ср для керна автографа. Для d=10 мм эти значения составляют 3,8 и 7,5 кДж/ср соответственно.
/ : :
: :
/' | |
_____1_^_____1_______]_!^___________I_I_
О 2 4 б 8 10
Ы, мм
Рис. 7. Расходимость излучения в дальней зоне и размеры автографа ё0 в зависимости от диаметра диафрагмы:
1), 2) полный автограф; 3), 4) керн автографа; 5), 6) расчет без учета влияния оптических нео-дно родностей (5), (6). Оси координат 1), 3), 5) 0х;
2), 4), 6) 0у
Выводы
Проведено экспериментально-аналитическое исследование метода улучшения параметров излучения лазеров с ядерной накачкой с помощью вну-трирезонаторного углового фильтра.
В экспериментах достигнуто снижение расходимости излучения в дальней зоне с 13...18 мрад по горизонтали и 8... 11 мрад по вертикали (без ди-
О
- / /О / / _ / / о/ /О / □ i i ojo о I 1 / /
- D
□ □ □ - полный автограф
ООО - керн автографа 1 1 1 1 1
2 4 6 8 d, мм 10
Рис. 8. Энергетическая интенсивность излучения на светочувствительной бумаге J и энергетическая яркость излучения в дальней зоне F: 1) полный автограф;
2) керн автографа
афрагмы) до 5...6 мрад по обоим направлениям (для диафрагмы диаметром d=2 мм), т. е. в 3 раза по горизонтали и в 2 раза по вертикали. Максимальные мощность и энергия генерации при этом уменьшились с 360 Вт и 0,87 Дж до 48 Вт и 120 мДж соответственно, т. е. в 7,5 раза для мощности и в
7,3 раза по энергии.
Максимальное значение энергетической яркости излучения получено для диаметра диафрагмы 5 мм и составляет 4,5 и 9 кДж/ср (для полного автографа и керна автографа), что на 18... 20 % выше, чем яркость излучения для диаметра диафрагмы d=10 мм - 3,8 и 7,5 кДж/ср. В случае d=2 мм энергетическая яркость составляет 2,2 и 3,9 кДж/ср для полного автографа и керна соответственно.
Материалы статьи доложены и обсуждены на Международной конференции Atomic and Molecular Pulsed Lasers, Томск, 14-18 сентября, 2009 г.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Sinyanskii A.A., Melnikov S.P. Research on development of continuous nuclear-laser setups in VNIIEF // Proc. of SPIE. - 1999. -V. 3686. - P. 43-55.
2. Быков В.П., Силичев О.О. Лазерные резонаторы. - М.: Физ-матлит, 2004. - 320 с.
3. Боровков В.В., Лажинцев Б.В., Нор-Аревян В.А., Сизов А.Н., Синянский А. А., Фёдоров Г. И. Особенности газодинамики прокачных лазеров, возбуждаемых осколками деления урана // Квантовая электроника. - 1995. - Т. 22. - № 12. -С. 1187-1191.
4. Воинов А.М., Довбыш Л.Е., Кривоносов В.Н., Мельников С.П., Мельников С.Ф., Синянский А.А. Экспериментальный комплекс на основе реактора ВИР-2М для исследования лазеров с ядерной накачкой // ВАНТ. Сер. Физика ядерных реакторов. - 2000. - Вып. 2/3. - С. 63-68.
5. Колесов В.Ф. Апериодические импульсные реакторы. - Са-ров: ВНИИЭФ, 1999. - 1032 с.
6. Пикулев А. А. Особенности газодинамики лазерных и люминесцентных кювет с ядерной накачкой при наличии буферных объемов // Журнал технической физики. - 2005. - Т. 75. -№ 10. - С. 78-84.
7. Rigrod W.W. Homogeneously broadened CW lasers with uniform distributed loss // Journal of Quantum Electronics. - 1978. - V. QE-14. - № 5. - P. 377-381.
8. Пикулев А.А., Цветков В.М., Соснин П.В., Синянский А.А. Работа лазера с ядерной накачкой в режиме задающий генератор - усилитель // Квантовая электроника. - 2008. - Т. 38. -№ 7. - С. 655-660.
Поступила 14.12.2009 г.
