Особенности тепловой линзы и деполяризации в цилиндрических оптических элементах с произвольным аспектным соотношением

Тепловые эффекты в оптических элементах во многом определяют режимы работы современных лазерных систем. Особенно актуальны проблемы связанные с тепловыделением в непрерывных и импульсных лазерах с высокой средней и пиковой мощностью. Тепловые эффекты так же играют существенную роль в оптических системах с повышенными требованиями однородности фазы и поляризации излучения.

Механизмов тепловых искажений несколько. Самый простой механизм — зависимость показателя преломления от температуры [1, 2]. Градиенты температуры, в свою очередь, вызывают тепловые напряжения и деформации [3, 4], влияющие на фазу излучения более сложным образом. Термонаведенные напряжения делают изотропную среду анизотропной, в анизотропных кристаллах поворачивают направления собственных поляризаций [5, 6]. В оптической керамике ситуация еще более усложняетсятепловые искажения приобретают неоднородности масштаба размера монокристаллической гранулы [7−13] .

Неоднородный нагрев оптических компонентов является камнем преткновения на пути наращивания мощности непрерывных твердотельных лазеров [14, 15]. Тепловые аберрации модулируют поляризационный и модовый состав генерации, сдвигают линии в резонаторе, нарушают полное внутреннее отражение, и т. д. В импульсных лазерах [16−20], по сути являющихся лазерными усилителями для маломощных лазерных осцилляторов [21−23], тепловыделение ограничивает частоту повторения импульсов. Современные импульсные системы петаваттного уровня мощности могут совершать выстрел не чаще чем раз в полчаса [24, 25] или даже реже [26, 27]. В импульсных лазерах проблемы поглощения накачки отчасти решает применение узкополосной диодной накачки [28, 29]. Это, однако, существенно увеличивает стоимость и не решает всех проблем с термонаведенными искажениями [30, 31], которые, хоть и в меньшей степени, но ограничивают частоту повторения импульсов.

Современные импульсные системы способны создать релятивистки сильные лазерные поля и, в подавляющем большинстве, основаны на принципах усиления чирпированных импульсов [32, 33]. Чирпирование существенно снижает действие «быстрой» керровской нелинейности [34], но при этом влияние «медленных» тепловых эффектов остается прежним. В этом смысле выгодно отличаются системы, основанные на параметрическом усилении [35, 36], в которых тепловые эффекты минимальны. Однако, в лазере накачки, тепловые эффекты неизбежно присутствуют [37] и должны быть учтены и оптимизированы.

Большинство работ по термооптике твердотельных лазеров посвящено исследованию активных элементов, поскольку в них выделяется наибольшее количество тепла. В тоже время, высокая средней мощность лазерного излучения приводит к тепловым эффектам из-за поглощения излучения и в части пассивных оптических элементов. В этом смысле интересным примером является детектор гравитационных волн LIGO [38−42] -измерительная система с высочайшими требованиями к качеству фазового фронта. Для достижения беспрецедентной чувствительности в нем используется довольно сложная интерферометрическая схема Фабри-Перо-Майкельсона с рециркуляцией [40]. Наличие тепловых эффектов в детекторе приводит к использованию сложной многошаговой процедуры выхода на рабочий режим [43], необходимости изощренной диагностики [44, 45] и компенсации [5, 46−48] тепловых искажений. При срыве с рабочего режима, мощность, идущая в обратном направлении, может на небольшое время превышать мощность лазерного источника. В этом сильно нестационарном режиме оптический изолятор Фарадея [49, 50], должен обеспечивать существенно более высокую степень изоляции при более высокой мощности выделении тепла [43]. Учет таких переходных режимов и сопутствующих нестационарных тепловых эффектов, необходим для снижения риска повреждения лазерного источника.

Изоляторы Фарадея, применяющиеся в подавляющем большинстве мощных лазерных систем, весьма чувствительны к термонаведенным искажениям. Изолятор предупреждает повреждение элементов обратными бликами и его стоимость может быть сопоставима или превышать стоимость лазерной системы, достигая миллионов евро [51]. Неоднородный нагрев из-за поглощения в магнитоактивном элементе изолятора приводит к деполяризации излучения [11, 52, 53] и заметному снижению степени изоляции [5, 54]. Немалую роль здесь играют как зависимость постоянной Верде от температуры [55], так и фотоупругий эффект [1]. Следовательно, разработка изоляторов Фарадея для высокой средней мощности излучения требует тщательного анализа тепловых эффектов.

Но тепловые эффекты далеко не всегда являются негативным и ограничивающим фактором в лазерной физике. В некоторых случаях они могут быть использованы для компенсации фазовых аберраций. Для этого в схему либо вводятся дополнительные элементы, тепловые искажения в которых компенсируют искажения оставшейся схемы [56, 57], либо осуществляется дополнительный нагрев сторонними источниками уже существующих элементов схемы [58]. Такой нагрев может различаться по способам осуществления, в том числе, совершаться посредством лазера [59].

На тепловых эффектах основаны целые классы измерительных приборов, среди которых можно отметить всевозможные измерители мощности и светочувствительные матрицы [60]. В диапазонах длин волн, где использование квантового фотоэффекта затруднительно из-за красной границы, фактически единственным способом измерения является болометрический [61−63], основанный на температурных изменений различных параметров среды, нагреваемой электромагнитным излучением. Таким параметром может быть проводимость, емкость, показатель преломления и т. п. Таким образом, термонаведенные фазовые искажения в тестовом элементе могут быть использованы для высокоточных измерений профиля интенсивности греющего излучения в ИК и даже СВЧ диапазоне [64].

Упомянутые примеры показывают, что функционирование современных лазерных систем невозможно без тщательного учета, а, возможно, и компенсации стационарных и динамических тепловых эффектов.

Цели и задачи диссертационной работы.

Диссертационная работа объединяет в себе ряд теоретических и экспериментальных исследований в области термонаведенных искажений фазы и поляризации лазерного излучения. Целями теоретических исследований были:

1. Создание и апробация программного кода для расчета нестационарных поляризационных и фазовых искажений излучения в оптическом элементе цилиндрической формы. Код включает в себя расчет поля температуры для источника тепла, зависящего от времени, но с отсутствием зависимости от угловой координаты (цилиндрическая симметрия) для произвольных начальных и граничных условийрасчет поля деформации для цилиндрически симметричного элемента с заданным распределением температуры и свободной, в механическом смысле, поверхностьюрасчет искажения поляризации и фазы излучении в цилиндрическом элементе с заданной температурой и деформациямиобобщение на случаи произвольно ориентированного кубического кристалла или поликристалла (керамики).

2. Получение аналитических выражений для искажения поляризации и фазы в цилиндрическом элементе в стационарном случае в приближениях, допускающих упрощение уравнений теплопроводности и упругости для произвольно ориентированного кубического кристалла. Обобщение для случая керамикиполучение аналитических выражений для статистических характеристик фазовых и поляризационных искажений.

3. Расчет степени оптической изоляции, обеспечиваемой изолятором Фарадея в детекторе гравитационных волн LIGO в переходных режимах.

Экспериментальные исследования преследовали следующие цели:

1. Экспериментальная проверка адекватности теоретической модели и созданного кода.

2. Разработка и апробация метода активной компенсации тепловой линзы при помощи дополнительного нагрева подвижным пучком СОг лазера.

3. Интерферометрическое исследование тепловой линзы в лазерной керамике, исследование мелкомасштабных неоднородностей искажения фазы и его статистических характеристик.

4. Разработка оригинального метода измерения распределения интенсивности ИК и СВЧ излучения по оптическим искажениям в тестовом оптическом элементе.

Отмечу, что все задачи работы тесно связаны друг с другом, и их разделение на теоретические и экспериментальные во многом довольно условно, что также хорошо видно из структуры диссертации.

Объём и структура диссертации.

Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения. Общий объем диссертации составляет 117 страницсписок литературы насчитывает 120 позиций.