WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждение наук

и Институте прикладной физики РАН г. Нижний Новгород

На правах рукописи

Научный консультант: доктор физико-математических наук, член-корреспондент РАН Хазанов Ефим Аркадьевич Соловьев Александр Андреевич

Официальные оппоненты: Степанов Николай Сергеевич, доктор физико-математических наук, профессор, ОСОБЕННОСТИ ТЕПЛОВОЙ ЛИНЗЫ И ДЕПОЛЯРИЗАЦИИ Нижегородский государственный В ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ОПТИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТАХ университет имени Н.И. Лобачевского С ПРОИЗВОЛЬНЫМ АСПЕКТНЫМ СООТНОШЕНИЕМ Кулагин Олег Валентинович, кандидат физико-математических наук, Федеральное государственное бюджетное 01.04.21 – лазерная физика учреждение науки Институт прикладной физики РАН, старший научный сотрудник

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физический институт имени П.Н. Лебедева РАН

Защита состоится 24 мая 2012 г. в 15 часов на заседании диссертационного

Автореферат совета Д 002.069.02 в Институте прикладной физики РАН (603950, Нижний диссертации на соискание ученой степени Новгород, ул. Ульянова, 46).

кандидата физико-математических наук

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института прикладной физики РАН.

Автореферат разослан 23 апреля 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор физико-математических наук, Нижний Новгород, профессор Ю.В. Чугунов 20

Актуальность темы пассивных оптических элементов. В этом смысле интересным примером является детектор гравитационных волн LIGO [37-41] - измерительная система Тепловые эффекты в оптических элементах во многом определяют режис высочайшими требованиями к качеству фазового фронта. Для достижения мы работы современных лазерных систем. Особенно актуальны проблемы, беспрецедентной чувствительности в нем используется довольно сложная связанные с тепловыделением в непрерывных и импульсных лазерах с высоинтерферометрическая схема Фабри – Перо – Майкельсона с рециркуляцией кой средней и пиковой мощностью. Тепловые эффекты также играют сущест[39]. Наличие тепловых эффектов в детекторе приводит к использованию венную роль в оптических системах с повышенными требованиями однородсложной многошаговой процедуры выхода на рабочий режим, необходимоности фазы и поляризации излучения.

сти изощренной диагностики [42, 43] и компенсации [5, 44-46] тепловых исМеханизмов тепловых искажений несколько. Самый простой механизм – кажений. При срыве с рабочего режима, мощность, идущая в обратном натепловая линза – зависимость показателя преломления от температуры [1, 2].

правлении, может на небольшое время превышать мощность лазерного исГрадиенты температуры, в свою очередь, вызывают тепловые напряжения точника. В этом сильно нестационарном режиме оптический изолятор Фарадеформации [3, 4], влияющие на фазу излучения более сложным образом.

дея [47, 48] должен обеспечивать существенно более высокую степень изоляТермонаведенные напряжения делают изотропную среду анизотропной, в ции при более высокой мощности выделении тепла. Учет таких переходных анизотропной - поворачивают направления собственных поляризаций [5, 6]. В режимов и сопутствующих нестационарных тепловых эффектов необходим оптической керамике ситуация еще более усложняется - тепловые искажения для снижения риска повреждения лазерного источника.

приобретают неоднородности масштаба размера монокристаллической граИзоляторы Фарадея, применяющиеся в подавляющем большинстве мощнулы [7-13].

ных лазерных систем, весьма чувствительны к термонаведенным искажениНеоднородный нагрев оптических компонентов является камнем преям. Изолятор предупреждает повреждение элементов обратными бликами и ткновения на пути наращивания мощности непрерывных твердотельных лаего стоимость может быть сопоставима или превышать стоимость лазерной зеров [14, 15]. Тепловые аберрации модулируют поляризационный и модовый системы, достигая миллионов евро [49]. Неоднородный нагрев из-за поглосостав генерации, сдвигают линии в резонаторе, нарушают полное внутренщения в магнитоактивном элементе изолятора приводит к деполяризации нее отражение, и т.д. В импульсных лазерах [16-20], по сути являющихся лаизлучения [11, 50, 51] и заметному снижению степени изоляции [52, 53]. Незерными усилителями для маломощных лазерных осцилляторов [21-23], тепмалую роль здесь играют как зависимость постоянной Верде от температуры ловыделение ограничивает частоту повторения импульсов. Современные им[54], так и фотоупругий эффект [1]. Следовательно, разработка изоляторов пульсные системы петаваттного уровня мощности могут совершать выстрел Фарадея для высокой средней мощности излучения требует тщательного анане чаще чем раз в полчаса [24, 25] или даже реже [26, 27]. В импульсных лализа тепловых эффектов.

зерах проблемы поглощения накачки отчасти решает применение узкополосНо тепловые эффекты далеко не всегда являются негативным и ограниной диодной накачки [28, 29]. Это, однако, существенно увеличивает стоичивающим фактором в лазерной физике. В некоторых случаях они могут мость и не решает всех проблем с термонаведенными искажениями [30, 31], быть использованы для компенсации фазовых аберраций. Для этого в схему которые, хоть и в меньшей степени, но ограничивают частоту повторения либо вводятся дополнительные элементы, тепловые искажения в которых импульсов.

компенсируют искажения оставшейся схемы [55, 56], либо осуществляется Современные импульсные системы способны создать релятивистки сильдополнительный нагрев сторонними источниками уже существующих эленые лазерные поля и в подавляющем большинстве основаны на принципах ментов схемы [57]. Такой нагрев может различаться по способам осуществCPA (Chirped Pulse Amplification) [32, 33]. Чирпирование существенно снижаления, в том числе, совершаться посредством лазера.

ет действие «быстрой» керровской нелинейности [34], но при этом влияние На тепловых эффектах основаны целые классы измерительных приборов, «медленных» тепловых эффектов остается прежним. В этом смысле выгодно среди которых можно отметить всевозможные измерители мощности и свеотличаются системы, основанные на параметрическом усилении [35, 36], точувствительные матрицы [58]. В диапазонах длин волн, где использование фактически лишенном тепловых эффектов. Однако, в лазере накачки теплоквантового фотоэффекта затруднительно из-за красной границы, фактически вые эффекты неизбежно присутствуют и должны быть учтены и оптимизироединственным способом измерения является болометрический [59-61], основаны.

ванный на температурных изменениях различных параметров среды, нагреБольшинство работ по термооптике твердотельных лазеров посвящено ваемой электромагнитным излучением. Таким параметром может быть происследованию активных элементов, поскольку в них выделяется наибольшее водимость, емкость, показатель преломления и т.п. Таким образом, термонаколичество тепла. В то же время высокая средняя мощность лазерного излуведенные фазовые искажения в тестовом элементе могут быть использованы чения приводит к тепловым эффектам из-за поглощения излучения и в части 3 для высокоточных измерений профиля интенсивности греющего излучения в 2. Задача о нахождении искажения фазы и поляризации излучения в цилинИК и даже СВЧ диапазоне. дрическом оптическом элементе из произвольно ориентированного кубиУпомянутые примеры показывают, что функционирование современных ческого кристалла или соответствующей керамики допускает удобные с лазерных систем невозможно без тщательного учета, а, возможно, и компен- прикладной точки зрения аналитические решения в приближениях тонкосации стационарных и динамических тепловых эффектов. го диска и слабого теплообмена.

3. Разработанный метод активной тепловой компенсации фазовых искажеЦели и задачи диссертационной работы ний при помощи дополнительного нагрева оптического элемента подвижным лазерным пучком позволяет снизить как фазовые искажения, так Диссертационная работа объединяет в себе ряд теоретических и эксперии термонаведенную деполяризацию излучения более чем на порядок вементальных исследований в области термонаведенных искажений фазы и личины.

поляризации лазерного излучения. Целями теоретических исследований были:

4. Степень оптической изоляции задающего генератора лазерного детектора 1. Теоретический анализ искажения поляризации и фазы в цилиндрическом гравитационных волн LIGO достаточна для нормальной работы детектора элементе в стационарном случае в приближениях, допускающих упрощево всех переходных режимах как при существующей мощности излучение уравнений теплопроводности и упругости для произвольно ориентиния, так и после ее планируемого увеличения до 125 Вт на входе в интеррованного кубического кристалла и керамики.

ферометр LIGO и до 800 кВт внутри интерферометра.

2. Расчет степени оптической изоляции, обеспечиваемой изолятором Фара5. Предложенный и реализованный метод измерения профиля интенсивнодея в детекторе гравитационных волн LIGO в нестационарных переходсти излучения по наведенным фазовым искажениям в прозрачном оптиных режимах.

ческом элементе позволяет получить точность не хуже 5 % и пространст3. Создание и апробация программного кода для расчета нестационарных венное разрешение 1 мм.

поляризационных и фазовых искажений излучения в оптическом элемен6. Разработан оригинальный программный код для расчета термонаведенте цилиндрической формы из произвольно ориентированного кубическоных искажений фазы и поляризации лазерного излучения в цилиндричего монокристалла или поликристалла (керамики).

ском оптическом элементе из произвольно ориентированного кубическоЭкспериментальные исследования преследовали следующие цели:

го кристалла или керамики.

1. Разработка и апробация метода активной компенсации тепловой линзы при помощи дополнительного нагрева подвижным пучком CO2 лазера.

Апробация работы 2. Интерферометрическое исследование тепловой линзы в лазерной керамиМатериалы диссертации докладывались на международных конференцике, исследование мелкомасштабных неоднородностей искажения фазы и ях: XII Conference on Laser Optics, St. Petersburg: 2006, Advanced Solid-State его статистических характеристик Photonics Vienna, Austria: 2005; GRLS-2008, Lubek, Germany: 2008;

3. Разработка оригинального метода измерения распределения интенсивноInternational Conference on Coherent and Nonlinear Optics / International сти ИК и СВЧ излучения по оптическим искажениям в тестовом оптичеConference on Lasers, Applications, and Technologies Minsk, Belarus: 2007;

ском элементе.

Frontiers of Nonlinear Physics, Nizhny Novgorod – Saratov - Nizhny Novgorod, 4. Экспериментальная проверка адекватности теоретической модели и соз2007; Laser Optics 2008, St.Petersburg, Russia; XII Conference on Laser Optics, данного кода.

St. Petersburg: 2006; Advanced Solid-State Photonics, Nara-Ken New Pablic Hall, Все задачи работы тесно связаны друг с другом, и их разделение на теоNara, Japan: 2008; International Conference on Coherent and Nonlinear Optics ретические и экспериментальные во многом довольно условно, что также 2005; Conference on Lasers and Electro-Optics San Francisco, CA: OSA Trends in хорошо видно из структуры диссертации.

Optics and Photonics (Optical Society of America, Washington, D. C.), 2004; XIV научная школа "Нелинейные волны-2008", Нижегородская обл., Положения, выносимые на защиту:

"Автомобилист": 2008; Результаты также представлены на семинарах ИПФ 1. В лазерной керамике (в отличие от монокристалла) существует эффект РАН, опубликованы в 7 статьях в реферируемых тематических журналах, а мелкомасштабной пространственной модуляции термонаведенных фазо- также в многочисленных сборниках трудов конференций.

вых искажений. Пространственный масштаб этой модуляции близок к характерному размеру зерен керамики, а среднеквадратичное отклонение фазы линейно зависит от мощности греющего излучения.

5 Личный вклад соискателя масштабирования на большие апертуры (> 10 см) без использования дорогостоящей ИК-оптики.

Экспериментальные и теоретические работы, составляющие диссертацию, выполнены в авторских коллективах. В диссертации подробно излагаОбъём и структура диссертации ются только те результаты, вклад автора в которые был существенным на Диссертация состоит из введения, трех взаимосвязанных глав и заключевсех стадиях, включая постановку задачи, проведение эксперимента, выполния. Общий объем диссертации составляет 115 страниц; список литературы нение расчетов, обработку и интерпретацию полученных данных. Незначинасчитывает 120 позиций.

тельные исключения относятся лишь к Главе I и составляют оконечные аналитические формулы для дисперсии искажения фазы и рассмотрение случая Краткое содержание работы длинного цилиндра, которые были добавлены в диссертацию для полноты картины аналитического описания фазовых искажений.

Глава I посвящена аналитическому и численному решению задачи об искажении фазы излучения в цилиндрическом элементе из произвольно ориенНовизна и достоверность предложенных методов и решений, тированного кубического кристалла, поликристалла или аморфной среды.

практическая и научная значимость В параграфе 1.1 проводится постановка задачи об искажении фазы в оптичеОсновой всей работы является нестационарный расчет связки температуском элементе цилиндрической формы; приводятся описывающие задачу ра – деформации и вызываемых ими аберраций в оптических элементах, реауравнения теплопроводности и упругой статики неравномерно нагретого телизованный при помощи оригинального компьютерного кода и аналитичела, рассматриваются их простейшие решения; описывается идеология нахожских формул, полученных автором в некоторых приближениях.

дения термонаведенного искажения фазы и поляризации пробного излучения Численный анализ фазовых и поляризационных искажений в оптической в элементе из аморфного стекла или кубического кристалла. Поскольку часть керамике с учетом зависимости температуры и термонаведенных деформаций термонаведенных искажений излучения, связанная с фотоупругим эффектом, от продольной координаты выполнен впервые.

в кубическом кристалле зависит от ориентации его кристаллографических В аналитическом рассмотрении фазовых искажений в случае тонкого осей, фазовые искажения в нагретой керамике содержат случайную модулядиска впервые была учтена зависимость деформации от z-координаты. Прицию с характерным масштабом равным размеру монокристаллических зерен.

ближение слабого теплообмена рассмотрено впервые. Отметим, что аналитиВ связи с этим, в работе оптическая керамика описывается как набор послеческие выражения для искажения фазы в керамике и произвольно ориентиродовательных фазовых пластинок случайной толщины, соответствующей толванном кубическом кристалле для цилиндрического элемента с произвольщинам отдельных монокристаллических зерен, с отличающимися направленым соотношением длины образующей и радиуса неизвестны.

ниями собственных поляризаций.

Лабораторные исследования специфических фазовых неоднородностей В параграфе 1.2 находится аналитическое решение для уравнения теплотепловой линзы в лазерной керамике, представленные в Главе II диссертации, проводности в виде суммы бесконечного ряда; показана его неудобность для ранее никем не проводились.

получения численного значения температуры и дальнейшего расчета теплоИдея метода активной тепловой компенсации фазовых искажений, предвых деформаций.

ставленного в Главе II, сама по себе не является оригинальной, поскольку Параграф 1.3 содержит рассмотрение двух приближений, в которых задавстречается и ранее, например, в [44]. Однако экспериментальная апробация ча допускает удобное для дальнейшего прикладного использования (без сумметода была проведена впервые.

мирования рядов) аналитическое решение. В рамках приближения тонкого Детальное рассмотрение оптической изоляции в переходных режимах дедиска при отводе тепла с оптических поверхностей решение уравнения тептектора LIGO, представленное в Главе III, проведено впервые. Рассмотрение лопроводности имеет вид:

функционирования изолятора Фарадея в случае тепловыделения зависящего l 1 2l от времени ранее не производилось.

T (r, z) q(r) z2 , при выполнении rh (1) l Представленный в Главе III диссертации интерференционный метод изconv 2 conv мерения профиля теплового излучения по термонаведенным аберрациям в тестовом элементе является полностью оригинальным. Неоспоримым прегде T – температура, r, z – координаты, – теплопроводность conv – коэффиимуществом метода по сравнению с существующими аналогами является циент конвективного теплообмена, l – полудлина элемента, q – плотность относительная дешевизна, доступность технологий и возможность легкого мощности объемного тепловыделения, rh – радиус источника тепла.

7 При этом, согласно [3], диск находится в плосконапряженном состоянии, Таким образом, деформация в случае слабого теплообмена определяется которому в цилиндрических координатах соответствует тензор деформации суммой решений (2) и (7). Процедура нахождения математического ожидания ij вида и дисперсии искажений в керамике также проводится согласно [7].

В параграфе 1.4 описывается программный код, позволяющий численно 1 находить искажения фазы в цилиндрических оптических элементах из произrr T 1 (r) T (r) T (R0 ), T 1 вольно ориентированных кубических кристаллов, стекол или оптической керамики; расположение источников тепла и граничные условия могут произ T 1 (r) T(R0 ), (2) 1 вольно изменяться во времени при удовлетворении цилиндрической симметT 1 рии. Там же проводится детальное сравнение аналитических формул для тер2 T монаведенных деформаций, среднего значения и дисперсии искажения фазы с zz T (1 ) (r) T(R0 ), 1 результатами численного моделирования; исследуются области применимости использованных приближений; показана адекватность аналитических r формул в рамках используемых приближений. В параграфе 1.5 приводятся где T (r) (r)rdr, R0 – радиус элемента, T – коэффициент теплового T основные результаты Главы I.

rОписанный в Главе I набор аналитических и численного решений стал линейного расширения, – коэффициент Пуассона.

базой для выполнения экспериментальных и теоретических работ, описанных На базе решений (1) и (2), согласно процедуре усреднения, описанной в в последующих главах.

[7], получаются конечные формулы для математического ожидания искажеВ Главе II рассмотрены две экспериментальные задачи, связанные со ния фазы и для его дисперсии в керамическом элементе.

стационарными термонаведенными аберрациями. Параграф 2.1 посвящен В приближении слабого теплообмена решение ищется в виде суммы экспериментальному исследованию особенностей тепловой линзы в лазерной T(r, z) = Tr(r) + azz2, (3) керамике. Во введении параграфа обосновывается перспективность лазерной керамики как оптической среды и ее специфические особенности при возникгде az – некая константа. В этом случае выражения для градиентов темперановении термонаведенных аберраций. Далее приведена интерференционная туры принимает вид фазомодуляционная схема, адаптированная для измерения фазовых искажений соответствующего масштаба; описываются варианты интерференцион dT 1 Phr Pin (r) ной схемы, объясняются различия «объемного» и поверхностного измерения.

, (4) dr 4l R0 R0 2l r Затем представлены типичные картины фазовых искажений в керамике без дополнительного нагрева, характеризующие исходное качество эксперименdT Ph z тальных образцов; исследуется линейность тепловых искажений фазы от , (5) мощности греющего излучения. Экспериментально демонстрируется случайdz 2R0l(R0 2l) ная модуляция термонаведенных фазовых искажений (рис. 1). В следующем что справедливо при выполнении условий:

пункте параграфа описывается методика измерения дисперсии искажения фазы; демонстрируется принципиальное отличие поверхностных искажений в convR0 lconv керамике от объемных; исследуется линейность зависимости среднеквадраR0 R0 2l I 1, Bi 1. (6) 4l 2 тичного отклонения фазы от мощности греющего излучения. В заключении параграфа приводятся основные результаты.

Температура T(r, z) = Tr (r), вызывает в дисковом элементе деформации Параграф 2.2 посвящен методу компенсации термонаведенных аберраций при помощи дополнительного нагрева излучением CO2-лазера, хорошо подazlrr T, ходящий для компенсации тепловых искажений в тестовых зеркалах детекто (7) ра LIGO.

(1 ) azl2 2 zz T az z2 T.

(1 ) 3 ( 1) 9 а б зультаты экспериментальной апробации метода; экспериментально продемонстрирована эффективность метода в смысле заметного уменьшения введенного ранее параметра, характеризующего силу фазовых искажений. В заключении приведены итоги параграфа.

Рис. 2. Принципиальная схема экспериментов по активной компенсации фазовых искажений: 1 – CO2-лазер; 2 – соляной клин; 3 – поглотитель; 4, 5, 9 – плоские “глухие” зеркала; 6, 8 – сферические “глухие” зеркала; 7 – образец из плавленого кварца; 10 – юстировочный He-Ne-лазер; 11 – стабилизированный He-Ne-лазер; 12 – коллимирующий объектив; 13, 14 – полупрозрачные зеркала; 15 – линза; 16 – диафрагма; 17 – CCD-камера б Рис. 3. Фазовые искажения в г б kph в образце без компенсиРис. 1. Разностные искажения фазы в монокристалле (a) и керамическом элементе (б) рующего излучения (а), p = при объемном измерении. Также – отличие этих искажений от гладкой аппроксимации 11,6 % и при наличии ком4 степени для монокристалла (в) и для керамики (г) пенсирующего излучения с а оптимальными патаметрами Во введении в параграф описывается концепция метода, указывается его Wopt = 18 мм, opt = 2,3 см, Popt место среди существующих методов компенсации тепловых искажений фазы, = 3,5 Вт (б), p = 0,3 %. Численное моделирование – указываются очевидные преимущества и особенности метода. Далее привосплошные линии, эксперидится математическая модель нагрева, создающего аберрации, и дополнимент – звездочки тельного компенсирующего нагрева; вводится параметр p, характеризующий энергетические потери ТЕМ00 моды интерферометрической схемы LIGO из-за фазовых искажений; описывается процедура расчета оптимальных параметров дополнительного нагрева в смысле минимизации введенного параметра.

В следующем пункте параграфа описывается экспериментальная схема В Главе III рассмотрены две задачи, в которых исследуются нестацио(рис. 2), позволяющая создать искомое распределение интенсивности в форме нарные термонаведенныме аберрации, вызванные резко изменяющимися во кольца; особое внимание уделено фазосдвиговому интерференционному мевремени источниками нагрева.

тоду измерения фазовых искажений, использованному в работе; приведены В параграфе 3.1 описаны исследования оптической изоляции в лазерном экспериментально полученные фазовые искажения, вызванные исходным детекторе гравитационных волн LIGO в переходных режимах. Во введении излучением и компенсирующим нагревом (рис. 3). Далее обсуждаются репараграфа описывается влияние термонаведенной деполяризации на качество 11 оптической изоляции, обеспечиваемой изолятором Фарадея; описываются Далее описываются условия нагрева в описанных режимах; параметры и известные методы компенсации деполяризации; в общих чертах описывается физические константы магнитоактивного элемента изолятора. Затем предспецифика функционирования изолятора Фарадея в нестационарных режимах ставлено численное моделирование тепловых аберраций и степени изоляции детектора LIGO. В следующем пункте приведена принципиальная оптическая в LIGO в различных тепловых режимах; приведены характерные распределесхема детектора (рис. 4). Детектор LIGO реализует так называемую интерфе- ния температуры и сопутствующих деформаций в магнитоактивном элеменрометрическую схему Фабри – Перо – Майкельсона [39], из-за чего в плечах те; построены характеринтерферометра накапливается энергия и циркулирует лазерная мощность на ные графики распределечетыре порядка превышающая мощность лазерного источника, и, соответст- ния локальной деполяривенно, увеличивается чувствительность детектора к гравитационным возму- зации на апертуре элещениям. мента для классической схемы изолятора и схемы с компенсацией; рассчиРис. 4. Принципиальная оптичетаны максимальные знаская схема интерферометричечения деполяризации и ского детектора гравитационных оценена опасность поволн LIGO. FI – изолятор Фаравреждения лазерного дея, BS – делительная пластина, источника обратными ITM, RPM – частично прозрачные зеркала, ETM – «глухое» бликами во всех режимах зеркало, PD – фотодетектор LIGO; рассмотрено падение изоляции от времени в наиболее проблематич- Рис. 5. Зависимость интегральной деполяризации от времени для схемы без компенсации (вверху) и схемы ном нестационарном те с компенсацией (внизу), для режима B пловом режиме (режим Таким образом, возможны нестационарные режимы, в которых мощB, рис. 5); показана возность, которую должен блокировать изолятор Фарадея, превышает собственможность понижения риска повреждения лазерного источника путем введеную мощность лазерного источника. В параграфе детально описываются рения активной механической блокировки излучения. Основные результаты жимы функционирования LIGO, тепловая и оптическая нагрузка на изолятор параграфа собраны в заключении.

Фарадея (таблица 1).

В Параграфе 3.2 представлен оригинальный болометрический метод измерения поперечного профиля греющего излучения по оптическим аберрациТаблица ям в прозрачном тестовом элементе. Во введении проводится анализ сущестТепловая и оптическая нагрузка на активный элемент изолятора Фарадея вующих методов измерения профиля греющего излучения; обсуждаются осв различных режимах функционирования LIGO новные преимущества обсуждаемого метода по сравнению с существующими Название Суммарная Мощность Продолжи- Мощность аналогами. В следующем пункте параграфа описывается интерферометричережима лазерная тепло- тельность в обратном ская фазосдвиговая схема измерения аберраций в оптическом элементе; расмощность выделения режима направлении, Вт смотрен способ адаптации используемого интерферометра для измерения в изоляторе, Вт фазовых аберраций, сильно изменяющихся во времени. Далее приведены реnormal oper- 125+5=130 0,26 Вт зультаты экспериментальной апробации метода (рис. 6); исследованы чувстation вительность, линейность, точность метода, его динамический диапазон; пред(запертый ложена процедура расширения динамического диапазона за счет проведения режим) процедуры сшивки областей монотонности интерферограммы. Затем расрежим A 125+500=625 1,25 Вт мс 5смотрены физические и измерительный факторы, ограничивающие ключевые режим B 125+125=250 0,5 Вт минуты 1параметры метода; рассмотрено снижение пространственного разрешения режим C 125+125=250 0,5 Вт 1–10 мс 1метода из-за теплопроводности и вклада фотоупругих эффектов; сделаны 13 странственный масштаб этой модуляции близок к характерному размеру зерен керамики, а среднеквадратичное отклонение фазы линейно зависит от мощности греющего излучения.

4. Разработан метод активной тепловой компенсации фазовых искажений при помощи дополнительного нагрева оптического элемента подвижным лазерным пучком, позволяющий снизить как фазовые искажения, так и термонаведенную деполяризацию излучения более чем на порядок величины.

5. Показано, что степень оптической изоляции задающего генератора лазерРис. 6. Искажения оптической толщины, соответствующие нагреву пучком CO2- ного детектора гравитационных волн LIGO достаточна для нормальной лазера мощностью 14 Вт. Слева – топограмма, по центру и справа – вертикальное и работы детектора во всех переходных режимах, как при существующей горизонтальное сечения соответственно. Однократно выполнена процедура сшивки мощности излучения, так и после ее планируемого увеличения до 125 Вт областей монотонности. Овалами выделен скачок, связанный с низким качеством исна входе в интерферометр LIGO и до 800 кВт внутри интерферометра.

пользуемой оптики 6. Предложен и апробирован метод измерения профиля интенсивности излучения по наведенным этим излучением фазовым искажениям в прочисленные оценки деградации разрешения с увеличением времени экспозизрачном оптическом элементе, позволяющий получить точность не хуже ции тестового элемента; численно оценена максимальная температура в эле5 % и пространственное разрешение 1 мм.

менте и связанное с этим ограничение на максимальную интенсивность излучения; оценено влияние неидеальности оптики и времени экспозиции ПЗСматрицы на точность восстановления профиля греющей интенсивности; поРаботы автора по теме диссертации:

лучены условия на разрешение оптики и время экспозиции матрицы для сохранения точности на заранее заданном уровне. Далее обсуждаются пути 1A. Zelenogorsky V.V., Solovyov A.A., Kozhevatov I.E., Kamenetsky E.E., улучшения параметров метода, таких как динамический диапазон, чувствиRudenchik E.A., Palashov O.V., Silin D.E., Khazanov E.A. High-precision тельность и пространственное разрешение. В заключении параграфа собраны methods and devices for in situ measurements of thermally induced наиболее важные результаты.

aberrations in optical elements // Applied Optics, v.45, №17, p.4092-4101, 2006.

Основные результаты работы 2A. Soloviev A.A., Khazanov E.A., Kozhevatov I.E., Palashov O.V.

Interferometry based technique for intensity profile measurements of far IR Диссертация посвящена численному, аналитическому и экспериментальbeams // Applied Optics, v.46, №18, p.3821-3828 2007.

ному исследованию стационарных и динамических термонаведенных аберра3A. Soloviev A.A., Snetkov I.L., Zelenogorsky V.V., Kozhevatov I.E., Palashov ций в оптических элементах. Основные результаты опубликованы в 7 статьях O.V., Khazanov E.A. Experimental study of thermal lens features in laser в российских и зарубежных тематических реферируемых журналах и формуceramics // Optics Express, v.16, №25, p.21012-21021, 2008.

лируются в следующие тезисы:

4A. Соловьев А.А., Кожеватов И.Е., Палашов О.В., Хазанов Е.А.

1. Проведен теоретический анализ искажения поляризации и фазы в цилинКомпенсация термонаведенных аберраций в оптических элементах при дрическом элементе из произвольно ориентированного кубического крипомощи дополнительного нагрева излучением СО2 лазера // Квантовая сталла или керамики в стационарном случае в двух приближениях: тонкоЭлектроника, v.36, №10, p.939-945, 2006.

го диска и слабого теплообмена.

5A. Соловьев А.А., Снетков И.Л., Хазанов Е.А. Исследование тепловой 2. Разработан оригинальный программный код для расчета термонаведенлинзы в тонких дисках из лазерной керамики // Квантовая Электроника, ных искажений фазы и поляризации лазерного излучения в цилиндричеv.4, p.302-308, 2009.

ском оптическом элементе из произвольно ориентированного кубическо6A. Кузьмин А.А., Лучинин Г.А., Потемкин А.К., Соловьев А.А., Хазанов го кристалла или керамики.

Е.А., Шайкин А.А. Термонаведенные искажения в стержневых лазерных 3. Экспериментально продемонстрировано, что в лазерной керамике (в отусилителях на неодимовом стекле // Квантовая Электроника, v.39, №10, личие от монокристалла) существует эффект мелкомасштабной пространp.895-900, 2009.

ственной модуляции термонаведенных фазовых искажений, причем про15 7A. Соловьев А.А., Хазанов Е.А. Оптическая изоляция в лазерном детекторе 16A.Zelenogorsky V.V., Khazanov E.A., Palashov O.V., Poteomkin A.K., гравитационных волн LIGO в переходных режимах // Квантовая Soloviev A.A. Compensation of isotropic thermal lens in Faraday isolators by Электроника, v.42, №4, p.367-371, 2012. means of uniaxial crystal // Proc. of XII Conference on Laser Optics. St.

8A. Зеленогорский В.В., Каменецкий Е.Э., Палашов О.В., Соловьев А.А., Petersburg, 2006, p.ThR4-34.

Хазанов Е.А. Измерение тепловой зависимости показателя преломления 17A.Kozhevatov I.E., Khazanov E.A., Palashov O.V., Soloviev A.A. New method оптических сред // Proc. of Восьмая научная конференция по for measurement of far IR beam intensity profile // Proc. of XII Conference on радиофизике, посвященная 80-летию со дня рождения Б.Н. Гершмана. Laser Optics. St. Petersburg, 2006, p.ThR4-32.

ННГУ, Н.Новгород, Май, 7, 2004, p.20-21. 18A.Snetkov I.L., Mukhin I.B., Soloviev A.A., Palashov O.V., Khazanov E.A.

9A. Палашов О.В., Соловьев А.А., Хазанов Е.А. Активная коррекция Thermally induced distortions of polarization and wavefront in laser ceramics тепловых искажений в оптических элементах // Proc. of X Нижегородская // Proc. of International Conference on Coherent and Nonlinear Optics/ сессия молодых ученых. Естественнонаучные дисциплины. "Голубая International Conference on Lasers, Applications, and Technologies Minsk, Ока", Н.Новгород, Апрель, 17-22, 2005, p.86-87. Belarus, May 28 - June 1, 2007, p.I08-63.

10A.Палашов О.В., Зеленогорский В.В., Соловьев А.А., Каменецкий Е.Э. 19A.Soloviev A.A., Khazanov E.A., Kozhevatov I.E., Palashov O.V. New method Прецизионный контроль оптических элементов с помощью for measurement of far IR beam intensity profile // Proc. SPIE, v.6613, широкополосного интерферометра (профилометра) на больших p.661308-1-661308-10, 2007 (Laser Optics 2006: Wavefront Transformation расстояниях // Proc. of X Нижегородская сессия молодых ученых. and Laser Beam Control, ed. Soms L.N.).

Естественнонаучные дисциплины. "Голубая Ока", Н.Новгород, Апрель, 20A.Mukhin I.B., Khazanov E.A., Kozhevatov I.E., Palashov O.V., Snetkov I.L., 17-22, 2005. Soloviev A.A. Specificity of thermal lens in laser ceramics // Proc. of 11A.Кожеватов И.Е., Зеленогорский В.В., Соловьев А.А., Каменецкий Е.Э. Frontiers of Nonlinear Physics. Nizhny Novgorod – Saratov - Nizhny Прецизионный контроль оптических элементов с помощью Novgorod, 2007, p.109.

широкополосного интерферометра (профилометра) на больших 21A.Soloviev A.A. Thermally induced wave front distortions in laser ceramics.

расстояниях // Proc. of X Нижегородская сессия молодых ученых. Theory and experiment. // Proc. of GRLS-2008. Lubek, Germany, April, 13Естественнонаучные дисциплины. "Голубая Ока", Н.Новгород, Апрель, 15, 2008, 17-22, 2005, p.112-113. 22A.Snetkov I.L., Kozhevatov I.E., Mukhin I.B., Palashov O.V., Soloviev A.A., 12A.Соловьев А.А., Снетков И.Л., Зеленогорский В.В., Кожеватов И.Е., Zelenogorsky V.V., Khazanov E.A. Thermal lens and laser oscillating in CaFМухин И.Б., Палашов О.В., Хазанов Е.А. Изучение отличительных and BaF2 ceramics // Proc. of CLEO /EUROPE-EQEC 2009. Munich, особенностей термонаведенных фазовых искажений в лазерной керамике Germany, 2009, p.CA.P.25 TUE.

// Proc. of XIV научная школа "Нелинейные волны-2008". Нижегородская 23A.Kuzmin A.A., Shaykin A.A., Soloviev A.A., Khazanov E.A. Thermal обл., "Автомобилист", 2008. depolarization and gain cross-section distribution in Nd:glass laser amplifiers 13A.Kamenetsky E., Khazanov E.A., Palashov O.V., Poteomkin A.K., Shaykin // Proc. of Laser Optics 2008. St.Petersburg, Russia, June 23-28, 2008.

A.A., Solovyov A., Zelenogorsky V.V. Use of scanning Hartmann sensor for 24A.Khazanov E.A., Mukhin I.B., Palashov O.V., Snetkov I.L., Soloviev A.A.

in sity characterization of wavefront distortions in thermally loaded optical. // Specificity of thermal effects in laser ceramics as compared to single crystals Proc. of Conference on Lasers and Electro-Optics San Francisco, CA, 16-21 // Proc. of Advanced Solid-State Photonics. Nara-Ken New Pablic Hall, Nara, May, 2004, p.CTuP68. Japan, January, 27-30, 2008, p.WE9.

14A.Zelenogorsky V.V., Kamenetsky E.E., Khazanov E.A., Kozhevatov I.E., 25A.Shaykin A.A., Kuzmin A.A., Soloviev A.A., Khazanov E.A. Thermal Palashov O.V., Silin D.E., Solovyev A.A. Two methods for remote depolarization and gain cross-section distribution in Nd:glass laser amplifiers measurements of thermal effects in optical elements // Proc. of Advanced // Proc. SPIE, p.83, 2008 (Physics of Extreme Light (NWP-2), ed.

Solid-State Photonics Vienna, Austria, 6-9 February, 2005, p.TuB32.

15A.Kamenetsky E.E., Khazanov E.A., Palashov O.V., Solovyev A.A., Zelenogorsky V.V. Active compensation of thermal lens in optical Цитируемая литература:

components // Proc. of International Conference on Coherent and Nonlinear Optics 2005, 1. Мезенов А.В., Сомс Л.Н., Степанов А.И. Термооптика твердотельных лазеров. // Ленинград: Машиностроение, 1986. 199с.

17 2. Matsuoka J., Kitamura N., Fujinaga S., Kitaoka T., Yamashita H. Temperature 18. Andreev N., Khazanov E., Palashov O. Diffraction-limited powerful Nd:YAG dependence of refractive index of SiO2 glass // Journal of Non-Crystalline laser with variable pulse duration // Proc. SPIE, v.3613, p.263-270, 19Solids, v.135, №2, p.86-89, 1991. (Solid State Lasers VIII, ed. Scheps R.).

3. Тимошенко С.П., Гудьир Д. Теория упругости. // Москва: Наука, 1975. 19. Danson C.N., et al. Vulcan Petawatt - an ultra-high-intensity interaction 4. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теория упругости. // Москва: Наука, 2004. facility // Nuclear Fusion, v.44, №12, p.S239-S246, 2004.

259с. 20. Aoyama M., et al. 0.85-PW, 33-fs Ti:sapphire laser // Optics Letters, v.28, 5. Хазанов Е.А. Компенсация термонаведенных поляризационных №17, p.1594-1596, 2003.

искажений в вентилях Фарадея // Квантовая Электроника, v.26, №1, p.59- 21. Yanovsky V., Pang Y., Wise F.W., Minkov B.I. Generation of 25-fs pulses 64, 1999. from a self-mode-locked Cr:forsterite laser with optimized group-delay 6. Шаскольская М.П. Кристаллография. // Москва: Высшая Школа, 1984. dispersion // Optics Letters, v.18, №18, p.1541-1543, 1993.

376с. 22. Xu L., Spielmann C., Krausz F., Szipcs R. Ultrabroadband ring oscillator for 7. Снетков И.Л., Мухин И.Б., Палашов О.В., Хазанов Е.А. Особенности sub-10-fs pulse generation // Optics Letters, v.21, p.1259, 1996.

тепловой линзы в лазерной керамике // Квантовая Электроника, v.37, №7, 23. Honninger C., et al. Ultrafast ytterbium-doped bulk lasers and laser amplifiers p.633-638, 2007. // Applied Physics B, v.69, p.3-17, 1999.

8. Хандохин П.А., Иевлев И.В., Лебедева Ю.С., Мухин И.Б., Палашов О.В., 24. Okada H., et al. High-Intense, High-Contrast J-KAREN Laser at Advanced Хазанов Е.А. Поляризационная динамика лазера на Nd : YAG-керамике // Photon Research Center // Proc. SPIE, p.MC10, 2008 (Advanced Solid-State Квантовая Электроника, v. 41, №2, p.103-109, 2011. Photonics (ASSP), ed.

9. Snetkov I.L., Mukhin I.B., Palashov O.V., Khazanov E.A. Properties of a 25. Lozhkarev V.V., et al. Compact 0.56 petawatt laser system based on optical thermal lens in laser ceramics // Quantum Electronics, v.37, №7, p.633-638, parametric chirped pulse amplification in KD*P crystals // Laser Physics 2007. Letters, v.4, №6, p.421-427, 2007.

10. Shoji I., et al. Thermal-birefringence-induced depolarization in Nd:YAG 26. Glenzer S.H., et al. Symmetric Inertial Confinement Fusion Implosions at ceramics // Optics Letters, v.27, №4, p.234-236, 2002. Ultra-High Laser Energies // Science, v.327, №5970, p.1228-1231 2010.

11. Mukhin I.B., Palashov O.V., Khazanov E.A., Ikesue A., Aung Y.L. 27. Kitagawa Y., et al. Prepulse-free petawatt laser for a fast ignitor // IEEE Experimental study of thermally induced depolarization in Nd:YAG ceramics Journal of Quantum Electronics, v.40, №3, p.281-293, 2004.

// Optics Express, v.13, №16, p.5983-5987, 2005. 28. Weber H.P., Graf T., Weber R. High-power diode-pumped solid-state lasers // 12. Khazanov E.A. Thermally induced birefringence in Nd:YAG ceramics // Laser Physics, v.10, №2, p.1-9, 2000.

Optics Letters, v.27, №9, p.716-718, 2002. 29. Kawashima T., et al. 20-J diode-pumped zig-zag slab laser with 2-GW peak 13. Kagan M.A., Khazanov E.A. Thermally induced birefringence in Faraday power and 200-W average power // Proc. of Advanced Solid-State Photonics.

devices made from terbium gallium garnet-polycrystalline ceramics. // Vienna, Austria, 2-6 February, 2005, p.TuB44.

Applied Optics, v.43, №32, p.6030-6039, 2004. 30. Tsunekane M., Taguchi N., Inaba H. Improvement of thermal effects in a 14. Jeohg Y., Sahu J.K., Payne D.N., Nilsson J. Ytterbium-doped large-core fiber diode-end-pumped, composite Tm:YAG rod with undoped ends // Applied laser with 1.36 kW continuous-wave output power // Optics Express, v.12, Optics, v.38, №9, p.1788-1791, 1999.

№25, p.6088-6092, 2004. 31. Khandokhin P.A., Ievlev I.V., Lebedeva Y.S., Mukhin I.B., Palashov O.V., 15. Akiyama Y., Takada H., Yuasa H., Nishida N. Efficient 10 kW diode-pumped Khazanov E.A. Polarisation dynamics of a Nd:YAG ceramic laser // Quantum Nd:YAG rod laser // Proc. of Advanced Solid-State Lasers. Quebec, Canada, Electronics, v.41, №2, p.103-109, 2011.

2002, p.WE4_1-WE4_3. 32. Strickland D., Mourou G. Compression of amplified chirped optical pulses // 16. Хазанов Е.А., Сергеев А.М. Петаваттные лазеры на основе оптических Optics Communications, v.56, p.219, 1985.

параметрических усилителей: состояние и перспективы // Успехи 33. Maine P., Strickland D., Bado P., Pessot M., Mourou G. GENERATION OF Физических Наук, v.178, №9, p.1006-1011, 2008. ULTRAHIGH PEAK POWER PULSES BY CHIRPED PULSE 17. Коржиманов А.В., Гоносков А.А., Хазанов Е.А., Сергеев А.М. Горизонты AMPLIFICATION // IEEE Journal of Quantum Electronics v.24, №2, p.398петаваттных лазерных комплексов // Успехи физических наук, v.181, p.9– 403, 1988.

32, 2011. 34. Zel'dovich Y.B., Raizer Y.P. Self-focusing of light. Role of Kerr effect and striction. // JETP Letters, v.3, №3, p.86-89, 1966.

19 35. Lozhkarev V.V., et al. Study of broadband optical parametric chirped pulse glass-based Faraday isolators // Journal of the Optical Society of America B, amplification in DKDP crystal pumped by the second harmonic of a Nd:YLF v.17, №1, p.99-102, 2000.

laser // Laser Physics, v.15, №9, p.1319-1333, 2005. 52. Khazanov E.A. Compensation of thermally induced polarization distortions in 36. Cerullo G., De Silvestri S. Ultrafast optical parametric amplifiers // Review of Faraday isolators // Quantum Electronics, v.29, №1, p.59-64, 1999.

Scientific Instruments v.74, №1 I, p.1-18 2003. 53. Khazanov E.A., et al. Compensation of thermally induced modal distortions in 37. Kamionkowski M. Astrophysics: Gravity ripples chased // Nature, v.460, Faraday isolators // IEEE Journal of Quantum Electronics, v.40, №10, p.1500p.964-965 2009. 1510, 2004.

38. Abbott B., et al. An upper limit on the stochastic gravitational-wave 54. Barnes N.P., Petway L.P. Variation of the Verdet constant with temperature of background of cosmological origin // Nature, v.460, №7258, p.990-994, 2009. TGG // Journal of the Optical Society of America B, v.9, №10, p.1912-1915, 39. Abbott B.P., et al. LIGO: the Laser Interferometer Gravitational-Wave 1992.

Observatory // Reports on Progress in Physics, v.72, №7, p.076901, 2009. 55. Koch R. Self-adaptive optical elements for compensation of thermal lensing 40. Accadia T., et al. Status and perspectives of the Virgo gravitational wave effects in diode end-pumped solid state lasers-proposal and preliminary detector // Journal of Physics: Conference Series, v.203, p.012074, 2010. experiments // Optics Communications, v.140, p.158-164, 1997.

41. Abramovici A., et al. LIGO - the Laser-Interferometer-Gravitational-Wave 56. Andreev N.F., et al. The use of crystalline quartz for compensation for Observatory // Science, v.256, p.325-333, 1992. thermally induced depolarization in Faraday isolators // Quantum Electronics, 42. Yoshida S., et al. High-power testing of optical components for LIGO // Proc. v.32, №1, p.91-94, 2002.

SPIE, v.3736, p.430-436, 1998 (Quantum Optics, Interference Phenomena in 57. Lawrence R., Ottaway D., Zucker M., Fritschel P. Active correction of Atomic Systems, and High-Precision Measurements, ed. Andreev A.V., thermal lensing through external radiative thermal actuation // Optics Letters, Bagayev S.N., Chirkin A.S., Denisov V.I.). v.29, №22, p.2635-2637, 2004.

43. Kozhevatov I.E., et al. Interference scheme with transverse shift of beam for 58. Knoll G.F. Radiation detection and measurement. // Wiley, 2000.

distant sensitive parameter monitoring of optical elements // Radiophysics and 59. Тарасов В.В., Якушенков Ю.Г. Инфракрасные системы "смотрящего" Quantum Electronics, v.50, №7, p.638-648, 2007. типа. // Логос, 2004.

44. Lawrence R., Zucker M., Fritschel P., Marfuta P., Shoemaker D. Adaptive 60. Ишанин Г.Г., Панков Э.Д., Андреев А.Л., Польщиков Г.В. Источники и thermal compensation of test masses in advanced LIGO // Classical and приемники излучения. // Санкт-Петербург: Политехника, 1991.

Quantum Gravity, v.19, p.1803-1812, 2002. 61. Bogue R.W. US company launches first MEMS-based IR detector array // 45. Snetkov I., Mukhin I., Palashov O., Khazanov E. Compensation of thermally Sensor Review, v.23, №4, p.299-301, 2003.

induced depolarization in Faraday isolators for high average power lasers // Optics Express, v.19, №7, p.6366-6376, 2011.

46. Каган М.А., Хазанов Е.А. Компенсация термонаведенного двулучепреломления в активных элементах из поликристаллической керамики // Квантовая Электроника, v.33, №10, p.876-882, 2003.

47. George N., Waniek R.W. Faraday rotators for high power laser cavities // Applied Optics, v.5, №7, p.1183-1185, 1966.

48. Fischer G. The Faraday optical isolator // Journal of Optical Communications, v.8, №1, p.18-21, 1987.

49. Neumayer P., et al. Status of PHELIX laser and first experiments // Laser and Particle Beams v.23, №3, p.385-389, 2005.

50. Khazanov E.A., Kulagin O.V., Yoshida S., Tanner D., Reitze D. Investigation of self-induced depolarization of laser radiation in terbium gallium garnet // IEEE Journal of Quantum Electronics, v.35, №8, p.1116-1122, 1999.

51. Khazanov E., Andreev N., Babin A., Kiselev A., Palashov O., Reitze D.

Suppression of self-induced depolarization of high-power laser radiation in 21 Оглавление диссертации Список обозначений Введение Глава I. Теоретические модели термонаведенных аберраций лазерного пучка в цилиндрическом элементе 1.1 Постановка задачи 1.2 Точное аналитическое решение уравнения теплопроводности 1.3 Упрощенные аналитические решения 1.4 Анализ результатов 1.5 Заключение к Главе I Глава II. Приложения в стационарном режиме 2.1 Экспериментальное исследование особенностей тепловой линзы в лазерной керамике 2.2 Компенсация термонаведенных аберраций в оптических элементах при помощи дополнительного нагрева излучением СО2 лазера 2.3 Заключение к Главе II Глава III. Приложения в нестационарном режиме 3.1 Оптическая изоляция в лазерном детекторе гравитационных волн LIGO в переходных режимах 3.2 Оригинальный метод измерения профиля пучка в дальнем ИК диапазоне 3.3 Заключение к Главе III 1Заключение 1Соловьев Александр Андреевич ОСОБЕННОСТИ ТЕПЛОВОЙ ЛИНЗЫ И ДЕПОЛЯРИЗАЦИИ В ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ОПТИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТАХ С ПРОИЗВОЛЬНЫМ АСПЕКТНЫМ СООТНОШЕНИЕМ A в т о р е ф е р а т Подписано к печати 20.04.2012 г.

Формат 6090 1/16. Бумага офсетная.

Усл. печ. л. 1,5. Тираж 100 экз. Заказ № 47(2012).

Отпечатано в типографии Института прикладной физики РАН, 603950 г. Нижний Новгород, ул. Ульянова, 23






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.