WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ, МЕХАНИКИ И ОПТИКИ

На правах рукописи

УДК 621.373.826 Сиразетдинов

Владимир Сабитович Достижение предельной направленности и повышение мощности излучения высокоэнергетичных лазеров на Nd-стекле, распространение лазерных пучков на протяженных и экстремально-турбулентных трассах.

01.04.05 – Оптика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Санкт Петербург, 2007 г.

Работа выполнена в Научно-исследовательском институте комплексных испытаний оптикоэлектронных приборов и систем (НИИКИ ОЭП), г. Сосновый Бор, Ленинградская обл.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор Белоусова И.М.

доктор физико-математических наук, профессор Егоров В.С.

Доктор технических наук, профессор Храмов В.Ю.

Ведущая организация: РФЯЦ - ВНИИЭФ, г.Саров, Нижегородская обл.

Защита состоится " 15 " января 2008 г. в 15 ч.50 м. на заседании диссертационного совета Д2122.272.02 при Санкт-Петербургском государственном университете информационных технологий, механики и оптики по адресу: 197101, Санкт-Петербург, Кронверкский проспект, д.49, ауд.285.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Автореферат диссертации разослан "____"____________2007 г.

Отзывы и замечания по автореферату (в двух экземплярах), заверенные печатью, просьба направлять в адрес университета: 197101, г.Санкт-Петербург, Кронверкский пр., д.49, секретарю диссертационного совета.

Ученый секретарь диссертационного совета Д212.227.02, доктор физико-математических наук, профессор Козлов С.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность Важнейшие характеристики лазерного излучения, от которых решающим образом зависит эффективность применения лазеров во многих прикладных задачах, - это угловая расходимость, энергия и мощность излучения. В совокупности эти характеристики определяют степень достижимой концентрации энергии лазерного излучения на облучаемых объектах, точность получаемой информации об их пространственных характеристиках или возможности транспортировки энергии на большие дистанции с минимальными потерями.

На практике не составляет больших трудностей сформировать на выходе лазера маломощный пучок с предельно высокой, т.е. дифракционной направленностью, используя, например, хорошо известные методы угловой селекции излучения. Однако уже на трассе распространения, содержащей ту или иную реальную среду или оптические элементы, такой пучок начинает приобретать искажения, приводящие к увеличению его расходимости, снижению пространственной когерентности и яркости. Еще больше проблем, возникает при решении задачи повышения уровня энергии и мощности излучения с сохранением его дифракционной направленности. Падение качества мощного пучка происходит уже не только на трассе распространения, но и в оптическом тракте самой лазерной системы вследствие несовершенства оптических элементов и развития эффектов самовоздействия излучения. Это и определяет неиссякаемый интерес исследователей и разработчиков систем к поиску оптимальных методов формирования пучков, прогнозирования изменений пространственной структуры и выявления факторов, ухудшающих энергетические характеристики излучения.

Фактически, это направление исследований родилось одновременно с созданием первого лазера. Однако актуальность и значение его со временем лишь возрастает вместе с энергетическими возможностями лазерных систем и масштабами их практических приложений, среди которых лазерный термоядерный синтез, дальняя светолокация, навигационные системы, передача информации, применения в космической технике.

Настоящая работа сконцентрирована на рассмотрении круга оптических явлений и проблем, возникающих при решении практической задачи формирования высокоинтенсивных лазерных пучков и доставки энергии излучения на удаленные объекты. В их числе - исследование возможностей достижения дифракционной направленности пучков высокоэнергетических лазеров на стекле и повышения их мощности с применением вынужденного рассеяния излучения, выявление и измерение критических характеристик активной среды, ограничивающих энергию и мощность таких лазеров, исследование эффективности транспортировки энергии излучения на протяженных трассах и возможностей прогнозирования пространственных и энергетических характеристик пучков в экстремально турбулентной среде.

Исследования и поиск решений возникающих в процессе работы проблем осуществлялись на основе развитых к моменту постановки работы наиболее перспективных лазерных, нелинейно-оптических и цифровых технологий. Так, на момент постановки работы многочисленными исследователями уже были продемонстрированы принципиальные возможности повышения направленности и мощности излучения лазеров путем обращения волнового фронта (ОВФ) и компрессии импульсов излучения при вынужденном рассеянии Мандельштама-Бриллюэна (ВРМБ). Однако оказалось, что при переходе к созданию макетов высокоэнергетических систем с выходом на уровне нескольких сот и более джоулей в импульсе необходимо решить ряд проблем.

В части эффективного применения ОВФ при ВРМБ излучения для коррекции искажений пучка основные проблемы связаны с поиском оптимальных схемных решений системы ОВФ, обеспечивающих одновременно и высокое качество обращения фронта пучка, искаженного в мощном усилительном канале, и эффективную работу ВРМБ зеркала при энергиях накачки, на порядок превышающих уровень в доли джоуля, реализованный на небольших лабораторных установках. Исследователями отмечались трудности коррекции аберраций типа астигматизма, присущих оптическому каналу многокаскадного усилителя, а при повышении энергии излучения на входе нелинейной среды наблюдалась конкуренция с ВРМБ излучения самофокусировки и оптического пробоя, резко снижающих качество ОВФ.

Применение ВРМБ для многократного сжатия лазерных импульсов во времени без больших потерь энергии позволяет существенно повысить мощность излучения с одновременным упрощением схемы высокоэнергетичного лазера. Архитектура построения системы по схеме лазер-ВРМБ-компрессор становится энергетически выгодной, когда задача повышения мощности излучения многокаскадного лазера на стекле наталкивается на ограничения, обусловленные развитием нелинейных эффектов в его тракте. В работе предстояло исследовать возможности масштабирования подобных систем до уровня энергии излучения в несколько сот джоулей. В ходе исследований следовало решить вопрос об оптимальном для ВРМБ-компрессии временном профилировании импульса излучения в высокоэнергетических системах, построенных по схеме лазер-ВРМБ-компрессор.

Выбор схем и архитектуры построения высокоэнергетичных лазерных систем, предотвращающих развитие таких опасных нелинейных эффектов, как оптический пробой, мелкомасштабная самофокусировка излучения и возбуждение ВРМБ, невозможно без достоверного знания ряда характеристик элементов лазера, к которым относятся лучевая прочность, коэффициент нелинейности показателя преломления (n2) и удельный коэффициент усиления при ВРМБ (g) лазерных стекол, концентрация в их объеме микровключений платины. Особое значение и актуальность разработки надежных методик измерений этих параметров лазерных стекол диктуется развертыванием в России программы создания многоканальных лазерных систем на Nd-стекле с уровнем энергии в импульсе до 1 МДж в интересах осуществления лазерного управляемого термоядерного синтеза (ЛТС). Такого класса установки создаются (“Луч”) и проектируются (“Искра-6”) в настоящее время в РФЯЦ ВНИИЭФ (г. Саров) на основе усилительных модулей с дисковыми активными элементами (ДАЭ) с рабочей апертурой 20х20см2 и 30х30см2 из нового, еще находящегося в процессе разработки (НИТИОМ ВНЦ “ГОИ им. С.И. Вавилова”), фосфатного неодимового стекла КГСС 0180. Предполагаемый объем производства ДАЭ составит более тысячи штук, что выдвигает высокие требования к надежности и точности измерений указанных характеристик, определяющих пригодность стекла к использованию в этих лазерных системах. Отсюда же вытекает необходимость осуществления текущего контроля плавок стекла по всем критическим характеристикам при производстве элементов. В то же время существующие методы их измерения не вполне отвечают этим требованиям и, что также важно, весьма трудно осуществить их совмещение в рамках одного измерительного комплекса.

Создание высокоэнергетических лазерных источников с дифракционной расходимостью излучения позволяет более эффективно решать задачи, связанные с необходимостью направленной транспортировки энергетических потоков на дальние расстояния. Понятно, что эффективность передачи энергии на приемное устройство будет определяться и пространственными характеристиками пучка, сформированными на трассе распространения, и точностью попадания в пределы апертуры приемника. Повысить эффективность передачи энергии излучения лазера в область удаленной или малоразмерной приемной системы позволяет метод (или алгоритм) ОВФ - самонаведения, основанный на фундаментальном свойстве обращенной волны точно воспроизводить траекторию распространения излучения в обратном направлении к источнику сигнальной волны. При решении реальных задач, требующих осуществления транспортировки энергии, наряду с большой дистанцией приходится сталкиваться с сильными ограничениями размеров (в масштабах, определяемых длиной дистанции) апертур приемных и передающих систем. В этих условиях эффективность передачи энергии может падать из-за снижения качества ОВФ пучка, несущего энергию, в силу апертурных ограничений. Свою роль могут играть дифракционные эффекты и наличие фазоискажающего слоя на трассе распространения пучка. Вопрос о возможностях оптимизации энергообмена между приемо-передающими устройствами при сильных апертурных ограничениях требует изучения. При этом в обеспечение исследований необходимо разработать методы и средства экспериментального моделирования процессов распространения излучения на протяженных трассах.

Оценка точностных и энергетических возможностей проектируемой лазерной аппаратуры, работающей в атмосферных условиях, невозможна без адекватного прогнозирования степени турбулентных искажений пространственных характеристик лазерных пучков. В большинстве исследований, выполненных до настоящей работы, основное внимание уделялось распространению лазерного излучения в условиях естественной атмосферной турбулентности. Однако на практике не менее важно знать характеристики излучения, прошедшего турбулентные зоны искусственного происхождения, например турбулентный след летательного аппарата или струю турбореактивного двигателя самолета. Упомянем, например, задачи разработки систем обеспечения безопасности полетов авиатехники на базе лазерных средств, бортовых систем лазерной связи и управления летательными аппаратами. Как правило, уровень турбулентности в такого рода зонах экстремально высок: на 3-5 порядков выше, чем в естественных условиях: величина структурной характеристики турбулентности в струе авиадвигателя, например, имеет порядок Сn2~10-9м-2/3, в то время как в свободной атмосфере ~ 10-16м-2/3-10-13м-2/3. Это обстоятельство, наряду с возможными другими, например, с анизотропией турбулентной среды или отсутствием локальной статистической однородности, не позволяют напрямую использовать уже развитые теории и модели распространения излучения в естественной атмосфере.

Поэтому актуальна задача проведения натурных экспериментальных исследований распространения лазерного пучка в экстремально турбулентной среде, такой, как струя турбореактивного авиадвигателя и создания на их основе численной математической модели распространения пучка в таких условиях.

Цель диссертационной работы – разработка методов и средств достижения предельной направленности и повышения мощности излучения многокаскадных лазеров на Nd-стекле, определения критических характеристик оптических материалов, ограничивающих мощность и энергию излучения таких лазеров, повышения эффективности транспортировки излучения на протяженных трассах, прогнозирования пространственных и энергетических характеристик пучков в экстремально-турбулентной среде.

В соответствии с поставленной целью в работе решаются следующие задачи:

- исследование и разработка схемных решений, методов и условий применения ОВФ-зеркал на основе ВРМБ излучения, обеспечивающих коррекцию присущих оптическому тракту многокаскадных лазеров на стекле плавных аберраций типа астигматизма и выдерживающих световые нагрузки, превышающие обычные – доли джоуля - на порядок;

-экспериментальное исследование многокаскадной высокоэнергетичной лазерной системы на Nd-стекле с различными вариантами ОВФ зеркал на основе ВРМБ;

-разработка методов ВРМБ-компрессии импульсов излучения накачки с характерным для лазерных систем укороченным передним фронтом и экспериментальное макетирование ВРМБ-компрессора в составе высокоэнергетичного лазера на Nd-стекле;

-разработка на базе современных цифровых технологий методов и средств комплексного измерения ряда основных критических характеристик оптических материалов и элементов: n2, g, лучевой прочности, объемной концентрации микровключений платины в лазерном стекле;

- разработка методов моделирования направленной передачи энергии на протяженных трассах и исследование эффективности доставки энергии излучения с применением алгоритма ОВФсамонаведения;

- исследование в натурных экспериментах распространения лазерных пучков в струе турбореактивного авиадвигателя и разработка математической модели распространения излучения в экстремально-турбулентной среде.

Методология работы При выполнении исследований почти все эксперименты сопровождаются расчетнотеоретическими оценками результатов, полученными из известных и многократно апробированных теоретических соотношений и положений. Пути решения поставленных в работе задач в части многокаскадных лазерных систем (реализация дифракционной направленности излучения, сжатия импульса) и транспортировки энергии излучения на протяженных трассах базировались на перспективных методах ОВФ и компрессии импульсов излучения при ВРМБ. Методы измерений нелинейных характеристик стекол построены на цифровой регистрации ПЗС матрицами пространственных характеристик излучения, возмущенного исследуемым нелинейным процессом (самофокусировка, ВРМБ), и последующем сравнении их с расчетными характеристиками, полученными из обоснованных теоретических соотношений. В исследованиях лучевой прочности стекол производимые тестирующим излучением микроразрушения регистрируются в цифровом виде для последующей обработки совместно с записанным распределением интенсивности пучка.

Распространение лазерного пучка в струе авиадвигателя исследовалось в натурных экспериментах, методически предварительно проработанных на искусственной трассе.

Численное моделирование процесса распространения строится на основе метода статистических испытаний, используется случайное представление хаотически-неоднородного поля показателя преломления фазовых экранов, имитирующих действие турбулентной струи и принцип Гюйгенса-Френеля для расчета распространения пучка в свободном пространстве.

Научная новизна 1. Экспериментально показано, что высокое качество ОВФ излучения в диапазоне энергий излучения накачки до 4 Дж достигается при использовании двухкаскадных схем ВРМБ зеркал без межкаскадных ослабителей и фазовых аберраторов. Обнаружена возможность повышения энергетической эффективности и точности обращения излучения при использовании двухкаскадного ОВФ зеркала на стекле ГЛС - 22 за счет нагрева среды ВРМБ усилителя. Найден оптимальный перепад температур для данной среды усилителя и генератора T = 45° C и соответствующее смещение акустического резонанса частот = 70 ± 15 МГц. Разработана методика энергетического расчета двухкаскадных ОВФ зеркал в условиях высоких световых нагрузок и методика сквозного расчета многокаскадных двухпроходовых усилителей на Nd-стекле с такими зеркалами.

Установлено, что качество коррекции астигматических искажений ВРМБ зеркалом с фокусировкой накачки зависит от способа формирования пучка в тракте усилителя. При наличии модуляции интенсивности с минимумом вблизи оси в пучке на входе ВРМБ генератора в обращенном излучении присутствуют остаточные искажения, которые могут быть следствием его неполной пространственной когерентности.

2. Впервые экспериментально продемонстрирована возможность формирования дифракционно-ограниченного пучка диаметром 85 мм в многокаскадном лазере на Nd-стекле с ОВФ с энергией в импульсе 450 Дж при длительности импульса 25 нс.

3. Предложен метод реализации устойчивого режима временной компрессии при ВРМБ в сжатых газах протяженных лазерных импульсов произвольного временного профиля путем согласованной подфокусировки пучка накачки в среде взаимодействия. Впервые экспериментально продемонстрирована возможность масштабирования систем неодимовый лазер-ВРМБ-компрессор до уровня энергий 750 Дж по накачке, повышена мощность излучения с 10 до ~ 100 ГВт за счет сжатия импульса лазера.

4.Предложены, экспериментально обоснованы и реализованы методы измерения коэффициента нелинейности показателя преломления (n2), удельного коэффициента усиления при ВРМБ (g) и порогов разрушения поверхности оптических элементов. Определены указанные характеристики для ряда лазерных стекол, включая новое фосфатное Nd-стекло КГСС 0180. Обнаружено, что порог разрушения задней поверхности стекла КГСС 0180, приведенный к плотности энергии пучка за образцом, практически одинаков для падения излучения в состоянии p-поляризации под углом Брюстера и по нормали на эту поверхность образца. Установлены оптимальные условия облучения лазерных стекол для выявления микровключений платины.

5.Создана искусственная оптическая трасса с реальной длиной 700м и моделируемой дистанцией 70км. Экспериментально установлена возможность повышения эффективности энергообмена излучением между приемо-передающими устройствами за счет дифракционных эффектов при использовании алгоритма ОВФ-самонаведения в условиях апертурных ограничений. Предложена и реализована схема ОВФ-устройства, обеспечивающая перефокусировку и коррекцию пучка, искаженного неоднородным слоем на трассе.

6.Разработана методика и выполнены натурные эксперименты по исследованию распространения лазерных пучков различных длин волн (0,53 мкм, 1,06 мкм, 10,6 мкм) в струе турбореактивного авиадвигателя. Обнаружены особенности воздействия струи на лазерные пучки: угловая расходимость пучков с = 0.53 мкм вдвое превосходит расходимость пучков с = 1.06 мкм, имеет место азимутальная асимметрия угловых спектров и блужданий пучка, в определенных условиях существует заметная вероятность прохождения сквозь струю импульсов излучения, в которых пучок сохраняет высокую угловую направленность. Путем сравнения экспериментальных и расчетно-теоретических результатов установлен функциональный вид пространственного спектра флуктуаций показателя преломления в турбулентной струе авиадвигателя.

7. Сформулирован теоретический подход и разработана численная математическая модель, корректно описывающая наблюдаемые возмущения характеристик лазерных пучков струей турбореактивного двигателя. Получено соответствие результатов имитационных (численных) экспериментов, выполненных на основе модели со статистически однородными в поперечных координатах случайными фазовыми экранами, и данных натурных экспериментов. Выполненные в рамках развитой модели турбулентных возмущений оценки усредненной интенсивности излучения в лазерных пучках различных длин волн показали, что на больших дистанциях распространения за струей максимальная осевая интенсивность реализуется при длинах волн излучения более 2 мкм, причем положение максимума на шкале длин волн зависит от диаметра пучка.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Принципы построения систем ОВФ многокаскадных высокоэнергетических лазеров на Ndстекле на основе использования двухкаскадных ВРМБ зеркал в комплексе со схемами формирования пучка с заданным распределением интенсивности на входе ВРМБ-генератора.

Метод реализации устойчивого режима временной компрессии при ВРМБ в сжатых газах лазерных импульсов произвольного временного профиля путем формирования согласованной пространственной конфигурации пучка накачки в ВРМБ усилителе системы компрессии.

2.Результаты исследований высокоэнергетичных многокаскадных лазеров на Nd-стекле:

-в экспериментах на лазере с системой ОВФ и энергией излучения на выходе ~ 450 Дж в импульсе длительностью 25 нс впервые достигнута концентрация энергии излучения 60% от теоретического предела в дифракционном угловом растворе d = 310-5рад и осевая яркость излучения ~81017Вт/см2стер;

-в экспериментах на лазере с энергией излучения 750 Дж при накачке многокаскадного ВРМБ-компрессора на сжатых газах достигнуто сокращение длительности исходного 70наносекундного импульса до 2-4 нс при КПД конверсии энергии в короткий импульс 50-60%.

3. Новые методы определения характеристик стекол, ограничивающих мощность излучения:

коэффициента нелинейности показателя преломления n2, коэффициента усиления при ВРМБ излучения g, лучевой прочности поверхности. Результаты измерений порога разрушения поверхности и покрытий оптических элементов, результаты исследований режима облучения объема лазерных стекол для надежного выявления микровключений платины.

Для нового лазерного фосфатного стекла КГСС 0180 установлены:

- коэффициент нелинейности n2 = (1.2±0.15)10-13 ед. СГСЕ;

- удельный коэффициент усиления ВРМБ g = (1.9±0.3)см/ГВт;

-ВРМБ-сдвиг частоты лазерного излучения с = 1.054 мкм - = 14.57 ГГц;

-скорость распространения продольных гиперзвуковых колебаний V = 5028 м/с;

-плотность и распределение вероятности для энергетических порогов разрушения поверхности стекла при длительности импульса излучения 4 нс.

-энергетический порог разрушения поверхности стекла в зависимости от длительности импульса = 16· 1/2 Дж/см2 в диапазоне = 120 нс;

4. Методика расчета оптических систем, моделирующих протяженные оптические трассы.

Искусственная оптическая трасса с реальной длиной 700м и моделируемой дистанцией 70км.

Результаты экспериментальных исследований применения алгоритма ОВФ-самонаведения излучения, в которых показана возможность повышения эффективности энергообмена излучением между удаленными приемо-передающими устройствами путем использования апертурных дифракционных эффектов и реализована схема ОВФ-устройства, обеспечивающая перефокусировку и коррекцию пучка, искаженного неоднородным слоем на трассе.

5. Методика, результаты натурных и расчетно-теоретических исследований распространения лазерных пучков в струе турбореактивного авиадвигателя. Угловой размер пучков с = 0,мкм, возмущенных струей вблизи среза сопла, вдвое превосходит угловой размер пучков с = 1,06 мкм, причем угловые характеристики излучения имеют азимутальную асимметрию.

Установлено, что в этой зоне пространственный спектр флуктуаций показателя преломления представляет собой аддитивную композицию анизотропной в области внешних масштабов турбулентности спектральной функции Кармана и дополнительной многомасштабной функции, усиливающей вклад высоких пространственных частот в диапазоне q 103 м-1.

Обнаружено, что даже в условиях сильных возмущений пучка на выходе из струи наблюдаются отдельные импульсы с высокой угловой концентрацией излучения, статистика появления которых подчиняется закону Пуассона.

6. Численная математическая модель распространения лазерного пучка в струе турбореактивного авиадвигателя и результаты имитационных экспериментов на ее основе, которые показали адекватность модели и принципиальную возможность представления приосевой области струи как статистически локально-однородной среды, анизотропной в области внешних масштабов турбулентности.

Практическая значимость работы.

Разработанные и экспериментально реализованные методы компенсации искажений лазерных пучков в многокаскадных системах на Nd-стекле и методы повышения мощности излучения путем ВРМБ-компрессии показывают пути построения высокоэнергетических лазеров с предельно высокой направленностью и яркостью излучения. Предложенные в работе методы измерения нелинейных характеристик (запатентованы в РФ) и лучевой прочности стекол реализованы в едином комплексе, позволяющем оперативно определять основные критические характеристик стекол, ограничивающие мощность и энергию излучения создаваемых лазерных систем и существенно влияющие на выбор схемных и технических решений. Результаты измерений указанных характеристик для нового фосфатного Nd-стекла КГСС 0180 позволяют обоснованно проводить расчеты допустимого уровня лучевых нагрузок на элементы лазерного канала, выбирать оптимальные схемные решения и архитектуру построения высокоэнергетичных лазеров.

Результаты исследований передачи энергии излучения на протяженных трассах с применением ОВФ позволяют проводить оценки предельных возможностей и оптимизировать процесс транспортировки излучения в условиях сильных ограничений приемо-передающих апертур. Созданная в НИИКИ ОЭП искусственная оптическая трасса в составе уникального лазерного стенда “ЛАС” позволяет проводить экспериментальные исследования и отработку разрабатываемых на базе лазерных средств макетов систем локации и распознавания удаленных объектов в условиях, близких к натурным. Результаты экспериментальных исследований и созданная численная модель распространения лазерных пучков в экстремально-турбулентной струе авиадвигателя позволяют обоснованно прогнозировать пространственные и энергетические характеристики излучения бортовой лазерной аппаратуры, решающей задачи безопасности, управления полетами и т.п. Помимо этого полученные результаты уточняют представления о структуре турбулентности в такой струе.

Исследования осуществлялись в рамках тематик НИР, выполняемых в НИИКИ ОЭП по заказам Министерства промышленности и энергетики РФ, Российского агентства по атомной энергии, Министерства обороны, а также по проекту МНТЦ №108.

Апробация работы и публикации Основные результаты диссертации докладывались на всесоюзных и международных конференциях “Оптика лазеров” (Ленинград - 1984;1987;1990; С.-Петербург - 2003; 2006), “Solid state lasers for applications to ICF” (Париж-1996; Монтерей, США-1998), ECLIM (Прага - 2000), «Оптика атмосферы и океана. Физика атмосферы» (Иркутск-2001; Томск- 2002; 2004), «Лазеры, Измерения, Информация» (С.-Петербург- 2003, 2006, 2007), “Photonics West” (СанХосе, США -2000), “Remote Sensing” (Барселона-2000), «Прикладная Оптика» (Ленинград- 1987, С.Петербург-1998, 2000), а также на научных семинарах института лазерной физики НПК “ГОИ им. С.И. Вавилова”.

Материал диссертации изложен в 55 научных публикациях в отечественных и зарубежных изданиях, в том числе в 38 статьях и 2 патентах на изобретения.

Личный вклад автора заключается в постановке и теоретическом обосновании исследований по применению ОВФ для компенсации искажений лазерных пучков многокаскадных систем на Nd-стекле и транспортировки энергии излучения на протяженных трассах, по поиску оптимальных условий ВРМБ-компрессии импульсов излучения и методов определения нелинейных характеристик стекол, по распространению лазерных пучков в турбулентной струе авиадвигателя. Автором предложены основные пути решения задач, поставленных в работе, разработана методология экспериментальных исследований.

Эксперименты проводились при его непосредственном участии и ведущей роли на стадии анализа и интерпретации получаемых результатов. Все теоретические исследования, включенные в работу, выполнены лично автором. При непосредственном участии автора создано использованное в работе базовое оборудование стенда “ЛАС”.

Экспериментальные исследования осуществлялись при творческом участии сотрудников НИИКИ ОЭП Алексеева В.Н., Дмитриева Д.И., Голубева В.В., Ивановой И.В., Евченко Ю.Н., Пасункина В.Н., Котылева В.Н., Либера В.И. Разработка численной математической модели распространения лазерных пучков в струе авиадвигателя, цикл имитационных экспериментов и верификация модели осуществлялись совместно с аспирантом И.В. Ивановой, работавшей под научным руководством автора. На начальной стадии принимали участие Борисова Н.Ф., Шереметьева Т.А., Филиппов Г.Н. Автор благодарен за помощь при постановке задач Маку А.А., Старикову А.Д. и Муратову В.Р., а также Чарухчеву А.В. - за помощь в реализации методов измерений характеристик лазерных стекол.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка цитируемой литературы. Объем 294 стр.: включает 119 рисунков, таблиц, список литературы из 299 наименований, 1 приложение.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность работы, кратко изложены проблемы и основные задачи исследований, сформулированы цель работы и защищаемые положения, изложена структура диссертации.

Первая глава носит обзорный характер, в ней определены не решенные на момент постановки работы проблемы и сформулированы основные задачи исследований.

Во второй главе приводятся результаты исследований применения ВРМБ излучения в мощных лазерах на Nd-стекле с целью достижения путем ОВФ излучения дифракционного качества пучка с энергией в импульсе на уровне 500 Дж и осуществления временной компрессии импульсов излучения.

В разделах 2.1 и 2.2 представлены оптическая схема макета многокаскадной лазерной системы на Nd-стекле c ОВФ излучения, основные измерительные методики, и результаты первого этапа исследований, выявившие основные проблемы решаемой задачи. Схема макета включает в себя лазер подсветки (ЛП), в который входят задающий генератор и предварительный усилитель, узел поляризационной развязки и двухпроходовый многокаскадный усилитель (МУ) с ОВФ зеркалом. Задающий генератор излучает одночастотный импульс длительностью ~ 50 нс. В ЛП формируется пучок диаметром 85 мм с плоским волновым фронтом и равномерным распределением интенсивности по сечению, который поступает на вход МУ. Усиленный после первого прохода МУ пучок с волновым фронтом, искаженным элементами оптического тракта и активной среды усилителя, поступает на ОВФ зеркало, отражается и проходит оптический тракт МУ в обратном направлении, усиливаясь и компенсируя искажения волнового фронта.

Пучок лазера подсветки на входе МУ имел практически дифракционное качество. В телесном угле, отвечающем дифракционному размеру, содержится ~ 70% энергии пучка, что близко к предельному теоретическому значению ~ 84%. Искажения пучка после первого прохода по МУ носили преимущественно астигматический характер, при этом угловой спектр уширялся в 5-10 раз.

На первом этапе исследований лазерной системы использовались различные известные варианты традиционных однокаскадных ВРМБ зеркал с фокусировкой излучения.

ВРМБ - активной средой служили ацетон, D2O, CCl4, неодимовое стекло ГЛС–1, ГЛС-22.

Были получены следующие результаты. Параметр, характеризующий качество ОВФ и качество пучка на выходе системы, Е /Е (доля энергии в угле, близком к дифракционному) не снижался ниже значений 0.85 ± 0.05 ( ~ 10-4рад) вплоть до энергий излучения, приходящего на ОВФ зеркало, Е0 = 0.2-0.3 Дж. Однако при этом коэффициент отражения от ОВФ зеркала по энергии не превышал значений R = 0.2 - 0.4, а энергия усиленного пучка на выходе системы - значений 100 - 150 Дж. В дальней зоне пучка на выходе лазера имеет место хорошая концентрация излучения, но присутствует и некоторый остаточный астигматизм. С увеличением энергии излучения Е0 на входе ОВФ зеркала качество ОВФ начинало ухудшаться, причем фактически отсутствовала зависимость качества излучения от выбора нелинейной среды зеркала или изменений геометрии фокусировки пучка. До уровня Е0 ~ 0.5 Дж это проявлялось в виде искажений дальнопольного распределения при незначительном уменьшении Е/Е, а при Е0 ~ 1 Дж начинал происходить оптический пробой нелинейной среды. В таких случаях происходило резкое снижение Е/Е до значений 0.4-0.5, а коэффициент отражения падал в 2 -3 раза. Если в целях расширения энергетического диапазона ОВФ зеркала перед нелинейной средой устанавливались фазовые травленые пластинки, то уже при Е0 ~ 0.3 Дж в дальнем поле вокруг керна появлялся ореол рассеянного излучения, содержащий существенную долю энергии пучка. Параметр Е/Е не превышал значений 0.4-0.6.

Таким образом, традиционные методы ОВФ излучения в ВРМБ зеркале не позволили достичь требуемого качества излучения на выходе многокаскадного усилителя системы как по уровню энергии, так и по угловой расходимости. В связи с этим было принято решение провести систематические исследования и разработку систем ОВФ, пригодных для многокаскадных высокоэнергетических лазеров. К первоочередным задачам были отнесены – расширение энергетического диапазона работы ОВФ зеркал до необходимого уровня в несколько джоулей и компенсация присущих тракту лазера астигматических искажений, в том числе, динамических. Помимо этого, встал вопрос о необходимости более точного расчетного прогнозирования энергетических характеристик макета многокаскадного лазера.

В разделе 2.3 представлены результаты исследований двухкаскадных ОВФ зеркал типа ВРМБ усилитель - ВРМБ генератор, целью которых являлся поиск возможностей увеличения энергии пучка накачки без потери качества ОВФ и разработка методов расчета энергетических характеристик многокаскадного двухпроходового усилителя с такими ОВФ зеркалами. На основе теоретической модели, описывающей ВРМБ взаимодействие встречных сферических пучков в геометрооптическом приближении, разработана методика расчета энергетических характеристик ВРМБ усилителя. Выполнены экспериментальные исследования энергетических характеристик таких зеркал на нелинейной среде CCl4 и на стекле ГЛС 22. Сравнительный анализ экспериментальных и расчетных данных позволил модифицировать найденные из теоретической модели решения таким образом, чтобы они учитывали наблюдаемое в эксперименте снижение эффективности преобразования излучения накачки в стоксову волну в ВРМБ усилителе при высоких уровнях энергии накачки. Разработана методика энергетического расчета двухпроходовых усилителей на Nd- стекле с ОВФ зеркалами типа ВРМБ усилитель - ВРМБ генератор. Представлены результаты экспериментальных исследований зеркал типа ВРМБ усилитель - ВРМБ генератор на стекле ГЛС 22 при изменении температуры нелинейной среды усилителя относительно температуры среды генератора. Обнаружено, что нагрев усилителя позволяет существенно повысить и эффективность преобразования излучения в стоксову волну и качество обращения волнового фронта при высоких уровнях накачки (до 4 Дж). Найдены оптимальные значения температуры нагрева среды усилителя (45С) и соответствующей разности частот акустического резонанса генератора и усилителя (70 МГц).

В разделе 2.4 представлены результаты экспериментальных исследований условий коррекции астигматических искажений лазерных пучков ВРМБ зеркалами, в которых показано, что качество коррекции астигматических искажений зависит от способа формирования пучка в оптическом тракте усилителя до входа в ОВФ зеркало. Установлено, что остаточные искажения в обращенном пучке отсутствуют, если сигнальный пучок сформирован таким образом, чтобы на входе в ВРМБ зеркало распределение интенсивности по его сечению было равномерным либо монотонно спадающим к периферии. При наличии модуляции распределения интенсивности, которая может быть обусловлена дифракцией пучка на ограничивающих диафрагмах, размещенных в оптическом тракте усилителя, качество коррекции астигматических искажений ухудшается. При неполной коррекции остаточные искажения в обращенном пучке связаны прямой зависимостью с величиной искажений сигнального пучка. Отсюда следует, что в многокаскадных усилителях с ОВФ, имеющих протяженные оптические тракты, нужно применять технику формирования и ретрансляции заданного профиля интенсивности усиливаемого пучка.

Раздел 2.5 представляет результаты экспериментальных исследований многокаскадной лазерной системы, в схеме которой уже было учтено, что наилучшие результаты могут быть получены, если изображение формирующей диафрагмы системой ретрансляторов строится на входе ВРМБ зеркала, исключены дифракционные возмущения пучка, а в качестве ОВФ зеркала использована двухкаскадная система, построенная по принципу ВРМБ усилитель ВРМБ генератор. Иначе говоря, ОВФ зеркало, как элемент многокаскадного лазера, было заменено на систему ОВФ, включающую в себя не только само двухкаскадное ВРМБ зеркало, но и всю цепь оптических ретрансляторов лазера, заданным образом формирующую пучок на входе ВРМБ генератора. В результате эффективность работы мощного усилителя стала значительно выше. Допустимый уровень энергии излучения на входе ОВФ устройства на среде CCl4, определяемый диапазоном сохранения высоких значений Е/Е > 0.8, возрос до 3.5 Дж, а энергия на выходе мощного усилителя до ~450 Дж в импульсе излучения длительностью ~ 25 нс при практически дифракционном качестве лазерного пучка.

На рис.1 для одной из экспериментальных серий приведены зависимости Е/Е, от энергии E0 на входе ОВФ зеркала и коэффициента отражения излучения R от двухкаскадного ОВФ зеркала, экспериментальная и расчетная зависимости выходной энергии от значений энергии E0 на входе ОВФ зеркала. Расчет проводился на основе разработанной методики, при этом учитывались особенности применяемых активных сред (ГЛС - 21 и ГЛС - 22). Как видно, энергетические зависимости, полученные экспериментальным и расчетным путем, хорошо соответствуют друг другу. На рис.2, справа, приведена фотография дальнопольного распределения обращенного пучка для энергии 430 Дж, максимальной в данной серии опытов. Рядом, для сравнения, воспроизведены фотографии углового распределения E/E Eвых, Дж R 0.0.0.40.20 E0, Дж 012Рис.1 Зависимости E/E – (•), коэффициента отражения излучения R от ОВФ зеркала – (х), энергии излучения на выходе мощного усилителя Евых [(о) – эксперимент, сплошная линия - расчет] - от энергии сигнала на выходе ВРМБ зеркала.

Рис.2. Фотографии лазерного пучка в дальней зоне.

Слева направо: выход лазера подсветки; вход ОВФ зеркала; выход мощного уси лителя.

Е/Е отн.ед.

0.0.0.d=2.44·(/d) 0., рад.10 4.10 4.10 4.10 01 2 3 Рис.3. Угловое распределение энергии излучения для лазера подсветки (1), обращенного пучка на выходе усилителя (2) и теоретическое распределение для пучка 85 мм (3).

интенсивности излучения на входе мощного усилителя и на входе ВРМБ зеркала. Полученное в этих экспериментах угловое распределение энергии обращенного пучка приведено на рис.3 (кривая 2). Видно, что в дифракционном угловом растворе d = 2.44/d = 310-5 рад в пучке на выходе системы содержится 50% энергии излучения, что составляет 60% от теоретического значения для идеального пучка и более 80% в сравнении с пучком на выходе ЛП. Такая близость к дифракционному пределу расходимости пучка при уровне энергии порядка полукилоджоуля в импульсе была достигнута впервые. Осевая яркость пучка достигла значения В 81017 Вт/см2стер при длительности импульса 25нс.

Раздел 2.6 посвящен еще одному практически важному аспекту применения ВРМБ в высокоэнергетических лазерных системах: повышению мощности излучения путем временной компрессии импульсов. Пучок накачки формировал многокаскадный лазер на Ndстекле с энергией на выходе до 750 Дж в импульсе. При этом оконечные каскады в тракте усилителя работали в режиме глубокого насыщения усиления сигнала (плотность энергии 1012 Дж/см2). Схема ВРМБ-компрессора включает в себя ВРМБ генератор короткого стоксова импульса, промежуточный ВРМБ усилитель, три узла поляризационной развязки (ячейка Фарадея 100 мм – на входе, 50 мм – на выходе мощного ВРМБ – усилителя (по ходу накачки) и ромб Френеля на входе ВРМБ генератора) и мощный ВРМБ усилитель. Импульс накачки промежуточного усилителя формировался путем деления и задержки импульса, ответвленного от основного пучка Nd-лазера. В качестве нелинейной среды использовался аргон с примесью ксенона с общим давлением до 6 атмосфер (соотношение 3:1). Диаметр стоксова пучка на выходе мощного ВРМБ усилителя – 9.5 см, длина кюветы 9.6 метра.

Система промежуточный ВРМБ усилитель - ВРМБ генератор построена на кюветах длиной и 7 м, соответственно. Пучок накачки на входе имел диаметр ~ 20 мм и фокусировался линзой с фокусом 15 м, на входе генератора пучок подфокусировался дополнительно второй линзой с фокусом 10 метров.

Уже в первых экспериментах реально проявила себя проблема деформации импульса накачки в мощном лазерном усилителе, работающем в режиме насыщения. Ясно, что на практике в мощном лазере на стекле без существенных потерь энергии не сформировать оптимальную форму импульса накачки с линейно-нарастающей мощностью, что было рекомендовано в выполненных ранее исследователями работах для выполнения условия истощения накачки и реализации “устойчивого”, т.е. без обратной конверсии стоксова импульса в накачку, режима компрессии.

Целевой анализ ситуации, когда импульс имеет естественную форму с укороченным передним фронтом, позволил найти практичный способ реализации устойчивого режима компрессии и в этом случае. Необходимо отказаться от простой фокусировки пучка накачки и осуществить пространственно-временное согласование плотностей мощности взаимодействующих импульсов излучения, исходя из уже реализованного на практике временного профиля накачки. Действительно, условие “устойчивого” усиления короткого стоксова импульса в поле мощной длинной накачки можно выразить в упрощенном виде соотношением, являющимся аналогом "теоремы площадей":

0 S ( )= ( ) 2 E + Es ( ) [] p, (1) где - координата положения короткого стоксова импульса в ВРМБ усилителе; Ep() - энергия накачки, переданная стоксову импульсу (при полном преобразовании); Es(0)- энергия стоксовой волны на входе нелинейной cреды;-эффективная длительность стоксова импульса, S()- площадь поперечного сечения взаимодействующих пучков, Г0- коэффициент нелинейной связи взаимодействующих волн на входе среды, зависящий от параметров нелинейной среды - инкремента усиления g и времени релаксации гиперзвука Tr, Г0 = (gc/2Tr)0.5.

Нетрудно видеть, что координатная зависимость левой части равенства (1) определяется геометрией встречных пучков - изменением диаметра зоны взаимодействия, а в правой части зависимость от координаты дается интегралом от распределения мощности излучения накачки во времени. Тогда, если считать, что изначально задается координатная зависимость в правой части соотношения (1), определяемая естественно сформированным временным профилем импульса накачки, то нужно под нее подгонять пространственную конфигурацию зоны взаимодействия пучков, как показано на рис.4.

Мощность накачки P(), отн.ед.

0.0 , отн.ед.

02040< Iнакачки Iстокс < Схема ВРМБ-компрессора с двойной фокусировкой накачки Рис.4. Иллюстрация метода пространственно-временного согласования плотности мощности (по “теореме площадей”) взаимодействующих импульсов в ВРМБ-компрессоре.

> > Расчеты подтвердили, что “устойчивый” режим сжатия реализуется в случае осуществления такой двойной подфокусировки пучка, согласованной с временной колоколообразной зависимостью мощности накачки.

А Б ~110 нс ~ 70 нс В Г ~7 нс ~ 2 нс Рис.5. Осциллограммы импульсов излучения: (А) –накачка на выходе предусилителя; (Б) – накачка на выходе МУ при формировании предымпульса; (В) –накачка на выходе МУ; (Г) – сжатый импульс стоксова излучение на выходе ВРМБ-компрессора.

Результаты вышеприведенного анализа были использованы на разных стадиях разработки и исследования системы компрессии высокоэнергетических импульсов, в которых ключевой стала проблема деформации импульса накачки в высокоэнергетической лазерной системе. Колоколообразный импульс с длительностью ~ 110 нс на выходе предусилителя (рис.5,А) на выходе мощного усилителя преобразуется в импульс с резким выбросом в начале (длительность по полувысоте ~7нс) и затянутым задним фронтом (рис.5,В). Импульс такой формы практически неприемлем для использования в качестве накачки мощного ВРМБ усилителя и, к тому же, активная среда стала разрушаться на микровключениях платины.

В этой ситуации была применена схема оптического деления и задержки излучения, формирующая слабый (4%) предимпульс и задерживающая на ~ 30 нс основной усиливаемый импульс на входе мощного усилителя, что позволило существенно изменить форму импульса на выходе лазера (рис.5,Б). Удалось снизить выброс интенсивности в несколько раз и удлинить импульс до ~70 нс по основанию. Однако, как видно из рисунка, импульс имеет достаточно сложную форму и крутой передний фронт, что спровоцировало пробои в каустике пучка в ВРМБ генераторе. Преодолеть эту ситуацию удалось так же путем установки на входе промежуточного ВРМБ усилителя петлевого делителя пучка накачки и подбора его параметров. В результате на его выходе оказалось возможным сформировать ~5- наносекундные стоксовы импульсы с энергией до 10 джоулей. Нужно отметить, что на вход в мощного ВРМБ усилителя приходило ~70% энергии импульса накачки. Остальную часть составляли потери накачки на элементах ввода, изоляции, диагностики излучения и доля излучения, ответвленная на накачку промежуточного ВРМБ усилителя и генератора. В этих условиях на выходе мощного ВРМБ усилителя получены импульсы длительностью по полувысоте ~2нс (рис.5,Г). На рис.6,7 представлены результаты измерения зависимости энергии стоксова импульса на выходе системы и эффективность конверсии , о.е.

Eвых, Дж 60.0.40.20.0 0 200 400 600 80 200 400 600 8Eн, Дж Eн, Дж Рис.6. Энергия короткого стоксова Рис.7. Эффективность конверсии излучения импульса в зависимости от энергии накачки в короткий стоксов импульс.

накачки ВРМБ-усилителя.

накачки в короткий стоксов импульс = Es/ Eн от энергии накачки. Максимально достигнутые значения лежат в диапазоне 50-60 %. За счет сжатия импульса накачки мощность излучения повышена с ~10 ГВт на выходе лазера до ~ 100 ГВт на выходе ВРМБ-компрессора.

Возможность более эффективной конверсии накачки прежде всего ограничивается недостаточным уровнем энергии стоксова импульса на входе мощного ВРМБ усилителя и далекой от оптимальной сложной формой профиля импульса накачки. Однако выполненные исследования подтвердили принципиальную возможность масштабирования систем лазерВРМБ-компрессор до уровня энергий порядка килоджоуля.

В третьей главе представлены новые методы измерения характеристик лазерных стекол, ограничивающих энергию и мощность излучения многокаскадных лазеров. В разделе 3.1. описана разработанная установка, включающая лазерную систему, формирующую пучок с требуемыми параметрами излучения, и измерительный блок, обеспечивающий регистрацию и последующий анализ цифровых изображений поперечных сечений лазерного пучка.

Установка позволяет в комплексе, лишь при небольших оперативных изменениях схемы, проводить измерения коэффициента нелинейности показателя преломления, коэффициента усиления при ВРМБ и лучевой прочности поверхности оптических элементов.

В разделе 3.2 представлен новый метод измерения коэффициента n2, основанный на регистрации нелинейных амплитудных искажений пучка, прошедшего образец исследуемой среды. На рис.8 представлены фотографии поперечного сечения возмущенного пучка в специально выбранной плоскости регистрации, в которой формируется такой вид искажений.

=2.2 Дж/см2 =5.9 Дж/см2 =15.7 Дж/смРис.8. Изменения распределения интенсивности в сечении пучка в зависимости от осевой плотности энергии пучка в образце стекла. Длительность импульса излучения 0.5 ~ 4.5нс.

Метод основан на измерении зависимости осевой плотности энергии возмущенного пучка 0’ от плотности энергии на оси пучка на входе в образец стекла и сравнении результатов с теоретической зависимостью 0’(), полученной путем расчета интеграла Френеля с учетом нелинейного набега фазы (r,t) в лазерном пучке, прошедшем образец:

(r,t) = (2/)·L (n2/n)·I0(t) [2J1(r/a)/ (r/a)]2, где J1(r) – функция Бесселя; a – радиус первого темного кольца в Эйри-распределении;

L – длина пути пучка в образце; I0(t) –осевая интенсивность пучка в течение импульса. При сравнении зависимостей, подбирают значение n2, с минимальной среднеквадратичной ошибкой отвечающее экспериментальным данным. Получено для КГСС 0180 n2 =(1.2 ± 0.2)10, КУ2 n2 = (0.95 ± 0.2)10-13, К8 n2 = (1.4 ± 0.2)10-13, ГЛС22 n2 = (2.0 ± 0.15)10-13 ед. СГСЭ.

В разделе 3.3 представлены результаты исследований характеристик, определяющих условия возбуждения ВРМБ излучения в стеклах, и новый метод измерения коэффициента усиления g. В его основе лежит измерение ВРМБ усиления в исследуемой среде при плавнонеоднородном распределении интенсивности излучения по сечению как стоксова пучка, так и накачки. В этом случае можно учесть насыщение усиления в каждом измерительном пуске лазера и определить более точно значение величины g. Распределения интенсивности в сечении стоксова пучка на входе и выходе среды регистрируются ПЗС-матрицами.

Сопоставляя эти распределения, получают распределение по сечению пучка ВРМБ усиления излучения, которое затем сравнивают с расчетным и осуществляют подбор искомого удельного значения коэффициента усиления g путем минимизации среднеквадратичного отклонения расчетных и экспериментальных данных. Были получены результаты для стекол КГСС 0180 g = 1.9±0.3 см/ГВт, К8 g = 1.3±0.2 см/ГВт, КУ2 g =1.5±0.2 см/ГВт, ГЛС22 g = 1.4±0.2 см/ГВт. Помимо этого в работе методом гетеродинирования был измерен ВРМБ-сдвиг частоты лазерного излучения с длиной волны = 1.054 мкм в стекле КГСС 0180. Полученное значение сдвига 14.57 ГГц позволило определить скорость распространения продольных гиперзвуковых колебаний в стекле 5028 м/с и оценить время затухания гиперзвука ~ 4 нс.

В разделе 3.4 представлен новый “экспресс”-метод определения энергетических порогов разрушения поверхности элементов мощных лазеров, в т.ч. с покрытиями. Согласно методу после облучения выбранного места образца по микрофотографии определяют диаметр кругового контура, охватывающего зону разрушений, и по измеренному в той же вспышке распределению энергии излучения на образце определяют уровень плотности энергии, отвечающий полученному контуру. Каждая вспышка в этом случае является результативной в отличие от традиционного “бинарного” метода, когда в выполненной серии облучений ищут вспышку, давшую разрушение при минимальном уровне энергии, соседнюю по энергии – без разрушения, и усредняют эти значения. В работе осуществлено обоснование метода путем сопоставления результатов, полученных предложенным и “бинарным” методом, исследованы зависимости результатов от превышений осевой плотности энергии тестирующего пучка над уровнем порога разрушения.

“Экспресс”-метод позволяет уже в нескольких вспышках получить результат и статистический разброс данных, а при достаточном накоплении данных и распределение плотности вероятности разрушений по уровню энергии. По результатам обработки более 8вспышек (более 100 образцов, диаметр пятна облучения ~ 2.5 мм, длительность импульса ~ 4нс) для стекла КГСС 0180 было измерено среднее значение порога разрушения менее стойкой задней поверхности <пор>=30±5 Дж/см2 и получена плотность и распределение вероятности для энергетических порогов разрушения, что позволило применить при обработке результатов методы анализа упорядоченной выборки (вариационного ряда) и найти зависимость наиболее вероятного минимального значения энергетического порога от размаха выборки, т.е. от числа облучений. В отдельной серии экспериментально измерены зависимости порога от размера пятна облучения и от длительности импульса: кгсс = 16· 1/2 и к8 = 18· 1/2 Дж/см2 в диапазоне = 120 нс.

Важные результаты были получены при облучении образцов стекла КГСС 0180 в виде плоскопараллельных пластин, ориентированных под углом Брюстера к оси пучка, т.е. в положении активных элементов в дисковых усилителях. Порог разрушения задней поверхности остался прежним (31±7 Дж/см2), несмотря на увеличение площади поперечного сечения пучка S’ внутри среды в ~1.5 раза (S’ = S·n, где S площадь сечения пучка вне среды, n– показатель преломления). Были выполнены контрольные эксперименты с облучением призм из стекол КГСС 0180 и К8, когда на переднюю поверхность пучок падает по нормали и сохраняет свой размер внутри среды, а на заднюю – под углом Брюстера (~ 33). В этом случае порог разрушения задней поверхности снизился в ~ 1.5 раза. Поскольку в таком эксперименте на выходе призмы пучок за счет преломления сжимается в n раз, то можно сделать вывод, что порог разрушения поверхности, приведенный к плотности энергии пучка за образцом, одинаков для нормального и “брюстеровского” падения излучения на заднюю поверхность образца. Таким образом, результаты свидетельствуют, что увеличение поперечного сечения пучка в активных элементах, установленных под углом Брюстера к оси пучка, не позволяет, вопреки априорным ожиданиям, повысить уровень световых нагрузок по сравнению с измеренным порогом при падении пучка по нормали.

В разделе 3.5 на основе полученных данных по “критическим” характеристикам лазерного стекла КГСС 0180 выполнены оценки предельно допустимых уровней мощности и энергии излучения на выходе типового усилительного каскада при условии, что стекло не содержит микровключений включений платины. Показано, что стекло КГСС 01перспективно для использования в лазерных системах с длительностью импульса излучения в диапазоне единиц наносекунд.

В разделе 3.6 представлены результаты исследований стекла КГСС 0180 на наличие микровключений платины. В состав созданной установки входит YAG-лазер, работающий в импульсно-периодическом режиме, регистраторы энергии и длительности импульсов излучения, управляемая от ЭВМ прецизионная система позиционирования исследуемых образцов с допустимым весом до 40 кг. Исследования показали, что при длительности тестирующего импульса ~7 нс пороговая плотность энергии взрыва микровключений составляет пор 2.5 Дж/см2. Для надежного выявления в отливках стекла присутствия микровключений установлены оптимальные режимы облучения объема образца при длительности импульса ~ 7 нс: осевая плотность энергии пучка ~10 Дж/см2 и кратность облучения объема образца m ~ 7.

Тестирование 70 образцов стекла показало, что применяемые методы контроля производимых плавок позволяет оценить состояние производственного оборудования (платиновых тиглей) и определить необходимость его модернизации и совершенствования с целью снижения содержания платины в отливках стекла. В последних партиях отливок КГСС 0180 концентрация микровключений составляет ~1 л-1.

В главе 4 представлены результаты анализа процесса распространения лазерных пучков на трассах с учетом преобразования поля излучения оптическими системами, выполненного с целью определения возможностей физического моделирования процессов энергообмена излучением между удаленными приемо-передающими устройствами.

Определены критерии подобия экспериментальных ситуаций применительно к поставленной задаче: равенство чисел Френеля апертур и учет масштабного фактора. Разработаны принципы построения и расчета параметров оптических систем моделирующих протяженные однородные трассы. Полученные результаты легли в основу работы по созданию в НИИКИ ОЭП искусственной оптической трассы. Созданная искусственная трасса включает в себя высококачественных зеркал диаметром 500 мм со 100% отражением на = 1.06 и 0.53 мкм и прецизионные телескопические системы с апертурой 500 мм, осуществляющие 10-кратное сжатие пучка на входе и выходе трассы, размещенные на виброизолированном фундаменте.

Таким образом, на этой трассе с реальной дистанцией L =700 м возможно моделирование оптически однородных трасс протяженностью до 70 километров. На рис.9 приведена фотография трассы.

На практике часто необходимо прогнозировать состояние пучка, прошедшего как оптически однородные, так и неоднородные участки. В этих случаях также возможно моделирование протяженных трасс оптическими системами, либо осуществляя преобразование сжатия поля только на однородных участках трассы, либо масштабируя Рис.9. Искусственная оптическая трасса в составе стенда “ЛАС”.

структуру неоднородностей возмущающего слоя путем использования специально изготовленных фазовых экранов. Таким путем были выполнены экспериментальные исследования эффективности передачи энергии пучка методом ОВФ-самонаведения и исследования системы ОВФ с перефокусировкой излучения. В разделах 4.1, 4.2 показано, что при размерах апертур приемо-передающих устройств, соизмеримых с величиной зоны Френеля, эффективность энергообмена в значительной мере определяется дифракцией на апертурах. Обнаружено, что эффективность световозвращения достаточно неожиданным образом зависит от размеров апертуры излучателя подсветки ОВФ зеркала, являющейся одновременно и апертурой приемного устройства в случае использования алгоритма ОВФсамонаведения. Когда апертуры ОВФ - устройства и излучателя подсвета, одновременно являющегося и приемником обращенной волны, ограничены в пределах размера зоны Френеля, оказалось, вопреки априорным представлениям, что эффективность световозвращения может быть в несколько раз повышена за счет уменьшения апертуры излучателя подсвета – приемника. При наличии оптически неоднородного слоя на трассе отмеченные дифракционные эффекты также могут проявляться. В разделе 3.3 установлены условия компенсации искажений при перефокусировке обращенного излучения на трассе с искажающим неоднородным слоем, предложена и экспериментально промакетирована схема перефокусирующего пучок ОВФ–устройства.

В работе был реализован еще один подход к задаче моделирования распространения пучков в искажающей среде с использованием оборудования трассы, включающий в себя комплексное физическое и математическое моделирование экспериментальной ситуации.

Экспериментально измеряются характеристики возмущенного излучения и параллельно осуществляется математическое моделирование рассматриваемой ситуации, которое всегда требует сверки с экспериментом. В тех же случаях, когда невозможно обойтись без натурных экспериментов, отличающихся сложностью организации и постановки, искусственная трасса может использоваться для предварительной отработки экспериментальных методик, выбора измерительных схем, аппаратуры и их настройки. В разделе 3.4 представлены результаты такого рода исследований распространения лазерных пучков в сильно турбулизованном воздушном потоке, включающих разработку методов измерений характеристик лазерного излучения, выбор и подготовку аппаратуры, осуществление измерений и анализ полученных экспериментальных данных.

В главе 5 представлены результаты исследований распространения лазерных пучков в турбулентной струе авиадвигателя. Разделы 5.1 и 5.2 освещают методологические вопросы постановки и проведения натурных экспериментов, выбора путей математического моделирования процесса распространения излучения в условиях экстремально высоких турбулентных возмущений среды. Многочисленные теоретические и экспериментальные наработки по распространению лазерных пучков в естественной турбулентной атмосфере опираются на теорию Колмогорова, справедливую для развитой локально однородной и изотропной турбулентности в несжимаемой среде. А высокоскоростная и высокотемпературная струя - это в целом статистически неизотропное и неоднородное турбулентное состояние среды. При постановке работы были приняты во внимание следующие соображения. Во-первых, в таком высокоскоростном потоке числа Рейнольдса очень велики – порядка 107-108, а, значит, в объеме струи обязательно реализуется высокоразвитое турбулентное состояние среды. Во-вторых, внешний масштаб турбулентности обычно соизмерим с радиусом струи и будет порядка нескольких дециметров и более. В третьих, из общей концепции Колмогорова следует, что в условиях сильно развитой турбулентности на размерах вихрей во много раз меньших внешнего масштаба турбулентности уже могут быть реализованы условия локальной однородности и изотропности. И в четвертых, сжимаемость среды влияет заметно на динамику струи лишь при трансзвуковом и сверхзвуковом режиме течения. Исходя из этого, были сформулированы ограничения, в рамках которых должна выполняться работа: рассматривается осевое пересечение лазерного пучка и струи; диаметры лазерных пучков в зоне струи должны быть существенно меньше ее радиуса; режим течения струи авиадвигателя – дозвуковой.

Отметим еще один важный методологический аспект работы: согласованный выбор метода моделирования и методики выполнения натурного эксперимента. Для численного моделирования был выбран наиболее перспективный на сегодня метод статистических испытаний, в котором многократно рассчитываются единичные реализации амплитуды поля возмущенного лазерного пучка. Этот метод дает наиболее полное представление об отклике пучка на воздействие струи. Методика измерений в эксперименте должна соответствовать ему, а именно, следует регистрировать в цифровом виде “мгновенные” изображения искаженного пучка, аналогичные получаемым единичным реализациям в расчетах. Помимо возможности совместного анализа и сравнения по наибольшему числу параметров данных численного и натурного экспериментов, это позволяет применить и единые цифровые методики обработки изображений, что повышает надежность получаемых результатов.

Для реализации такого подхода была проработана методика проведения натурных экспериментов и были решены следующие задачи:

-разработана методика многокадровой цифровой регистрации распределений интенсивности искаженных турбулентной струей лазерных пучков;

-разработана система синхронизации работы источников и приемников излучения;

-определены световые характеристики и оптимальные режимы записи изображений возмущенных лазерных пучков;

-выбраны лазерные излучатели, разработаны оптические схемы и определены условия проведения экспериментов, в которых реализуется минимальный уровень оптических помех, обусловленных атмосферной турбулентностью и виброфоном со стороны авиадвигателя.

В разделе 5.3 представлены результаты натурных экспериментов по распространению лазерных пучков с длинами волн 0,53, 1,06 и 10,6 мкм и диаметром 10 мм и 30 мм при различных геометриях пересечения пучком струи двухконтурного турбореактивного авиадвигателя Р-25-300. В первом цикле экспериментов лазерные пучков с = 1,06 и 10,6 мкм пересекали турбулентную струю на расстоянии 7 м от среза сопла двигателя под углом 60°, при этом толщина турбулентного слоя по ходу пучка составляла около 6 м. Результаты измерений показали, что угловой размер пучков с = 10,6 мкм увеличивается по сравнению с распространением в отсутствие турбулентности на 3-5%, испытывая при этом значительное собственное уширение вследствие дифракции. В то же время пучки с = 1,06 мкм, прошедшие ту же зону турбулентной струи, уширяются в 5-8 раз. При этом блуждания пучков обеих длин волн имеют один порядок и не наблюдается заметной асимметрии углового распределения и блужданий. Анализ показал, что такое поведение лазерных пучков находится в соответствии с известными в оптике турбулентной атмосферы аналитическими моделями. Определены параметры спектра флуктуаций показателя преломления: структурная характеристика Cn22510-10 м-2/3 в различных пусках двигателя, внешний масштаб турбулентности L0 1 м, внутренний масштаб l0 1,6 мм. Во втором цикле экспериментов лазерные пучки с длинами волн 0,53 и 1,06 мкм входили в струю вблизи среза сопла, пересекая ее по центру. Угол между осями струи и пучка составлял 90°, 45° и около 10°, толщина слоя турбулентной струи по ходу пучка - 0.8м, 1.4м и 60м, соответственно. Измеренные угловые характеристики пучков в дальней зоне приведены в Таблице 1. Наблюдается азимутальная асимметрия угловых распределений и блужданий, а угловой спектр пучков с = 1,06 мкм увеличивается до 18 раз в зависимости от угла пересечения струи и диаметра пучка, в то время как угловой спектр пучков с = 0,53 мкм – до 35 раз. Обнаруженное отличие в два раза для угловых спектров излучения различных длин волн, прошедшего через струю авиадвигателя, не отвечает традиционной (Кармановской или Колмогоровской) модели турбулентного слоя, для которой оценка соотношения угловых размеров возмущенных пучков дает (1)/(2) ~ (1/2)1/=(0.53/1.06)-1/5 1.15. В то же время анализ показал, что экспериментальная зависимость углового спектра возмущенного струей лазерного пучка от длины волны излучения отвечает теоретической при использовании в расчетах спектральной функции Кармана для флуктуаций показателя преломления в аддитивной композиции с дополнительной спектральной функцией, увеличивающей вклад неоднородностей с размерами ~ 1 мм менее, и учитывающей анизотропию в области внешних масштабов турбулентности:

- 11 2 6 6 (L0 x L0 y ) 2 2 2 (2) ( p ) = 0.033 Cn + Q + p n 2 2 6 Ls (1 + (p L0 x ) + (p L0 y ) ) x y Оценки для параметров спектральной функции при пересечении струи пучком вблизи сопла двигателя дали значения: Сn2 1,6±0,410-9 м-2/3, Loу 0,5 м, Loх 0,25 м, Ls 1 мм, амплитудный коэффициент для дополнительной высокочастотной части спектра Q6.

В разделах 5.4 и 5.5 обоснован выбор методов и алгоритмов моделирования распространения лазерных пучков с турбулентной струе, параметров численной модели, представлены результаты сравнения натурного и численного экспериментов. Модель построена на основе метода статистических испытаний и использует традиционную для оптики турбулентной атмосферы общую схему построения, в которой слой турбулентной среды моделируется с помощью тонкого фазового экрана, статистические свойства которого соответствуют статистическим свойствам моделируемой среды, за которым лазерный пучок распространяется в свободном пространстве на заданное расстояние.

Таблица 1. Полуширина углового спектра по уровню 1/е в горизонтальном x и вертикальном y направлении и дисперсия блужданий пучка x и y.

Угол пересечения Угол пересечения Угол пересечения Нет турбулентсо струей со струей со струей ности Пара = 90° = 45° = 10° метры пучка пучка пучка пучка пучка пучка пучка пучка пучка 10 мм 30 мм 10 мм 30 мм 10 мм 30 мм 10 мм 30 мм x 165±20 160±20 250±30 230±30 390±40 380±мкрад 35±5 25±y 245±30 230±30 360±40 350±40 450±50 460±мкрад x 95±10 55±5 145±15 95±10 200±20 150±мкрад 9 ±2 11±y 11 ±2 11 ±2 145±15 90±10 180±15 130±15 210±20 170±мкрад x 310±30 310±30 440±50 470±50 600±70 500±мкрад 27±5 15±y 370±40 350±40 550±60 540±60 680±80 580±мкрад x 130±20 85±15 180±20 130±20 - 140±мкрад 8±1 6±y 8±1 14±2 145±20 100±15 220±20 165±20 - 180±мкрад Базовыми для модели являются следующие моменты:

-выбор для построения численной модели найденного в экспериментах пространственного спектра неоднородностей в виде (2);

-передача широкого спектрального диапазона пространственных частот (~ 1-104 м-1) фазового экрана осуществляется раздельным моделированием высоких и низких пространственных частот спектра: “высокочастотный” (p 0.05 м-1) фазовый экран вычисляется методом спектральной выборки, а низкочастотный - прямым суммированием короткого (< 100 членов) ряда Фурье;

-распространение пучка за фазовым экраном на большие дистанции моделируются методом преобразования Гюйгенса-Френеля, который имеет более высокую производительность, чем традиционный спектральный метод, и позволяет исключить влияние краевых эффектов на ограниченных размерах расчетной сетки.

Сравнение результатов численного и натурного экспериментов в целях верификации модели производилось по таким характеристикам, как усредненный по ансамблю реализаций угловой спектр, дисперсия блужданий центроида пучка, относительная дисперсия флуктуаций интенсивности, вероятность превышения интенсивности выбросов I над уровнем средней Длина волны = 1,06 мкм = 0,53 мкм интенсивности в зависимости от относительного уровня интенсивности выбросов q=I/, вид спекл-структуры в поперечном сечении искаженного пучка, статистика флуктуаций структурного состояния пучка. На рис.10 приведены в качестве примера результаты сравнения угловых характеристик 30-мм пучков для всех экспериментальных ситуаций.

8а) 6420 100 200 300 400 500 600 700 8Численный эксперимент х, у, мкрад 2б) 110 25 50 75 100 125 150 175 2Численный эксперимент х, у, мкрад Рис.10. Сравнение результатов натурного и численного экспериментов для пучков мм: полуширина углового спектра (а) и дисперсия углового смещения центроида (б) в горизонтальном (вдоль струи) и вертикальном. Прямая отвечает точному соответствию.

• - = 1,06 мкм, Lt = 0.8 м; - = 0,53 мкм, Lt = 0.8 м; х - = 1,06 мкм, Lt = 1.4 м; + - = 0,53 мкм, Lt = 1.4 м; • - = 1,06 мкм, Lt = 7 м; - = 10,6 мкм, Lt = 7 м, - = 1,06 мкм Lt 60 м; - = 0,53 мкм, Lt 60 м.

х у Натурный эксперимент , , мкрад х у Натурный эксперимент , , мкрад Результаты детального сравнения данных натурных и имитационных экспериментов показали хорошее соответствие основных параметров лазерного пучка (угловой спектр, дисперсия блужданий центроида пучка, и все перечисленные флуктуационные характеристики) в дальнем и ближнем поле для рассмотренных экспериментальных ситуаций, включая распространение практически вдоль турбулентной струи авиадвигателя. Это говорит о правильности заложенных в основу математической модели характеристик случайнонеоднородных фазовых экранов, методик и алгоритмов расчетов. Более того, это подтверждает принципиальную возможность представления центральной области струи на масштабах порядка диаметра пучка как статистически локально-однородную, но анизотропную в области внешних масштабов турбулентности среду, поскольку примененные при расчете фазовых экранов вид спектра и алгоритмы вычисления случайных коэффициентов формировали статистически однородное поле флуктуаций фазы, учитывающее анизотропию в области внешних масштабов турбулентности.

В последнем разделе главы (5.6) обсуждаются ограничения на область применения разработанной модели распространения лазерных пучков в струе авиадвигателя и приводятся примеры применения результатов исследований для оценки энергетических характеристик возмущенных лазерных пучков различных длин волн. Отмечено, что модель может быть использована и в случае распространения лазерных пучков в струях авиадвигателей другого типа при уточнения значений параметров модели турбулентной среды в соответствии с представленными в настоящей работе методиками. Расчеты усредненных во времени энергетических и пространственных характеристик лазерных пучков можно проводить аналитическими методами, опирающимися на использованные в работе представления о характере турбулентных возмущений показателя преломления в струе. Оценки усредненной интенсивности излучения в возмущенных струей лазерных пучках различных длин волн показали, что на больших дистанциях распространения за струей максимальная осевая интенсивность реализуется при длинах волн излучения более 2 мкм, причем положение максимума на шкале длин волн зависит от диаметра пучка.

В приложении теоретически рассмотрен процесс формирования в неоднородной усиливающей среде частично-когерентных статистически неизотропных лазерных пучков.

Результаты работы, на основе которых сформулированы защищаемые положения.

1.Экспериментально показано, что высокое качество ОВФ излучения в диапазоне энергий излучения накачки до ~ 4 Дж достигается при использовании двухкаскадных схем ВРМБ зеркал без применения межкаскадных ослабителей и фазовых аберраторов.

Энергетическую эффективность и точность обращения излучения в двухкаскадном ОВФ зеркале на стекле ГЛС - 22 можно повысить за счет нагрева среды ВРМБ усилителя.

Установлен оптимальный перепад температур для данной среды усилителя и генератора T = 45° C и соответствующее смещение резонансных частот = 70 ± 15 МГц.

Разработана методика энергетического расчета двухкаскадных ОВФ зеркал в условиях высоких световых нагрузок и методика сквозного расчета многокаскадных двухпроходовых усилителей на Nd-стекле с такими зеркалами.

Экспериментально показано, что качество коррекции астигматических искажений ВРМБ зеркалом с фокусировкой накачки зависит от способа формирования пучка в тракте усилителя. При наличии модуляции интенсивности в пучке на входе ВРМБ зеркала с минимумом вблизи оси в обращенном пучке наблюдаются остаточные искажения, которые могут быть следствием его неполной пространственной когерентности.

2. Разработана эффективная система ОВФ для многокаскадных высокоэнергетических лазеров на стекле, включающая в себя наряду с ОВФ зеркалом типа ВРМБ усилитель-ВРМБ генератор систему формирования и ретрансляции заданного профиля распределения интенсивности пучка на вход ВРМБ генератора. Предложен метод реализации устойчивых режимов временной компрессии при ВРМБ в сжатых газах лазерных импульсов произвольного временного профиля путем согласованной двойной фокусировки пучка накачки в нелинейной среде ВРМБ усилителя.

Экспериментальные исследования многокаскадного лазера на Nd-стекле с системой ОВФ позволили впервые достичь:

-энергии в импульсе – до 450 Дж;

-содержания энергии обращенного и усиленного излучения в дифракционном угловом растворе 310-5рад – 60% от теоретического предела;

-осевой яркости излучения ~ 81017Вт/см2стер при длительности импульса 25 нс Экспериментально продемонстрирована возможность энергетического масштабирования систем неодимовый лазер-ВРМБ-компрессор до уровня 750 Дж по энергии накачки. Достигнуто сжатие исходного импульса с длительностью ~ 70нс до 2-4 нс при эффективности конверсии энергии в короткий импульс 50-60%. При этом мощность излучения повышена с ~10 ГВт на выходе лазера до ~ 100 ГВт на выходе ВРМБ-компрессора.

3. Предложены, экспериментально обоснованы и реализованы новые методы измерения коэффициента нелинейности показателя преломления, удельного коэффициента усиления при ВРМБ, порогов разрушения поверхности стекол и покрытий элементов. Получены значения nи g для стекол К8, КУ2, ГЛС 22, КГСС 0180. Для стекла КГСС 0180 экспериментально установлены:

- n2= 1.210-13 ед. СГСЭ;

- g 1.9 см/ГВт;

-ВРМБ-сдвиг частоты лазерного излучения с = 1.054 мкм - 14.57 ГГц;

-скорость распространения продольных гиперзвуковых колебаний - 5028 м/с;

- время затухания гиперзвука (оценка) ~ 4 нс.

Определены зависимости пороговой плотности энергии разрушения от длительности импульса для поверхности стекол КГСС 0180 и К8: кгсс = 16· 1/2 и к8 = 18· 1/2 Дж/см2 в диапазоне = 120 нс. Установлено, что порог разрушения задней поверхности стекла КГСС 0180, приведенный к плотности энергии пучка за образцом, составляет 30±7 Дж/см2 как для падения излучения в состоянии p-поляризации на эту поверхность образца под углом Брюстера, так и по нормали. Для входной поверхности образца при падении излучения под углом Брюстера пороговая плотность энергии разрушения увеличивается на 30-40%.

Установлены оптимальные условия облучения лазерных стекол для выявления микровключений платины. В последних партиях отливок стекла КГСС 0180 содержание микровключений составляет ~1.5 л-1.

Оценки на основе полученных данных показали, что стекло КГСС 0180 перспективно для использования в лазерных системах с длительностью импульса излучения в диапазоне единиц наносекунд.

4. Разработана методика расчета оптических систем, моделирующих протяженные оптические трассы, и создана искусственная оптическая трасса с реальной длиной 700м и моделируемой дистанцией 70км. Экспериментально показана возможность повышения эффективности энергообмена излучением между приемо-передающими устройствами при использовании алгоритма ОВФ-самонаведения за счет дифракционных эффектов в условиях апертурных ограничений. Предложена и реализована схема ОВФ-устройства, осуществляющая перефокусировку и коррекцию пучка, прошедшего искажающий слой на трассе.

5. Разработана методика и проведены натурные эксперименты по распространению лазерных пучков различных длин волн (0,53 мкм, 1,06 мкм, 10,6 мкм) в струе турбореактивного авиадвигателя. Установлено, что угловой размер пучков с = 0,53 мкм, возмущенных струей вблизи среза сопла, вдвое превосходит угловой размер пучков с = 1,мкм, причем угловые характеристики излучения имеют азимутальную асимметрию,. В этой зоне пространственный спектр флуктуаций показателя преломления представляет собой аддитивную композицию анизотропной в области внешних масштабов турбулентности спектральной функции Кармана и дополнительной многомасштабной функции, усиливающей вклад высоких пространственных частот в диапазоне q 103 м-1. В этих же экспериментальных условиях наблюдаются с относительно высокой вероятностью (7-10%) импульсы прошедшего струю ”1-микронного” излучения с квазирегулярной пространственной структурой и высокой угловой концентрацией. Статистика последовательности таких импульсов подчиняется закону Пуассона, а интервалы времени между ними в среднем имеют экспоненциальное распределение плотности вероятности.

6. Сформулирован теоретический подход и разработана численная математическая модель, корректно описывающая наблюдаемые возмущения характеристик лазерных пучков струей турбореактивного двигателя. Соответствие результатов натурных и имитационных экспериментов, выполненных на основе модели со статистически однородными в поперечных координатах случайными фазовыми экранами, подтверждает принципиальную возможность рассматривать приосевую зону струи как статистически локально-однородную среду, анизотропную в области внешних масштабов турбулентности. Выполненные на основе развитых представлений о характере турбулентных возмущений оценки усредненной интенсивности излучения в лазерных пучках различных длин волн показали, что на больших дистанциях распространения за струей максимальная осевая интенсивность реализуется при длинах волн излучения более 2 мкм, причем положение максимума на шкале длин волн зависит от диаметра пучка.

Основные результаты диссертации опубликованы в статьях:

1. Голубев В. В., Сиразетдинов B.C., Стариков А.Д. Об условиях коррекции астигматических искажений лазерных пучков ВРМБ-зеркалом.//Опт. и спектр.-1987,-т.62,-с.885-890.

2. Алексеев В.Н., Голубев В.В., Дмитриев Д.И., Жилин А.Н., Любимов В.В., Мак А.А., Решетников В.И., Сиразетдинов B.C., Стариков А.Д. Исследование ОВФ в лазерном усилителе на фосфатном стекле с выходной апертурой 12 см. //Кв. электроника. -1987,-т.14, -с.722-727.

3. Варламова И.А., Голубев В.В., Сиразетдинов B.C. Исследование ОВФ - зеркал типа ВРМБусилитель - ВРМБ-генератор. //Кв. электроника, 1989, т.16, с. 2539-2544.

4. Сиразетдинов В.С., Чарухчев А.В. Оптимизация ВРМБ компрессора для мощных лазерных систем. //Оптический журнал. -1997.- т.64, -№12, -с.85-88.

5. Sirazetdinov V.S., Alekseev V.N., Charukhchev A.V., Kotilev V.N., Liber V.I., Serebryakov V.A.

Development of kJ Channel for Nd-glass Laser System Using SBS-Compressor 70 ‘ns pulse. Proc.

SPIE, 1999, 3492, Part 2, p.1002-1008.

6. Сиразетдинов В.С., Алексеев В.Н., Иванова И.В., Котылев В.Н. Либер,В.И, Чарухчев А.В..

Система лазер-ВРМБ-компрессор излучения с энергией 1 кДж. //Материалы межд. семинара “Конверсия научных исследований в рамках деятельности МНТЦ”.- Минск.- 1999- с.171-174.

7. Голубев В.В., Сиразетдинов B.C. Экспериментальное исследование пространственной структуры лазерного пучка, отраженного ОВФ-зеркалом с ограниченной апертурой.

//Сборник "Обращение волнового фронта лазерного излучения в нелинейных средах" под ред. Рубанова А.С. -Минск: изд. ИФ АН БССР.- 1990. -с.310-38. Резунков Ю.А., Сиразетдинов B.C., Стариков А.Д., Чарухчев А.В. Моделирование высокоэнергетических физических процессов с использованием многоцелевых лазерных комплексов. //Оптич. журнал.- 1994.- т.61, -№1, -с.84-94.

9. Сиразетдинов B.C., Стариков А.Д. Физическое моделирование процессов направленной транспортировки энергии лазерным излучением. //Оптич. журнал.-1994.- т.61,-№11,-с.37 - 41.

10. Евченко Ю.Н., Пасункин В.Н., Сиразетдинов В.С., Стариков А.Д., Титтертон Д.Г., Шереметьева Т.А., Филиппов Г.Н. Исследование пространственных характеристик лазерного излучения, возмущенного турбулентным потоком.//Оптич. журнал.-1998.-т.65,№12,-с.106-112.

11. Сиразетдинов В.С. Исследования распространения лазерного излучения по протяженным трассам на стенде “ЛАС”.//Оптич. журнал.-1999.-т.66, №11.-с.54-58.

12. Sirazetdinov V.S., Ivanova I,V., Starikov A.D., Titterton D.H., Sheremetyeva T.A., Filippov G.N., Yevchenko Yu.N. Experimental study of laser beams disturbed by turbulent stream of aircraft engine.// Proc. SPIE.- 2000.- v.3927.- p. 397-405.

13. Sirazetdinov V.S., Starikov A.D., Titterton D.H. Laser beam propagation through a jet aircraft engine’s exhaust.//Proc.SPIE.-2001.-v.4167. -p.120-129.

14.Сиразетдинов В.С.Дмитриев Д.И., Иванова И.В., Титтертон Д.Г. Воздействие струи турбореактивного авиационного двигателя на лазерное излучение Ч.1. Угловой спектр возмущенного пучка.//Оптика атмосферы и океана.-2001.- т.14, №10.- с.906-910.

15. Sirazetdinov V. S., Dmitriev D. I., Ivanova I. V., Titterton D. H. Angular divergence of laser beams disturbed by an aero-engine exhaust jet. // Proc. SPIE.- 2001.-v. 4678.- p.106-114.

16.Сиразетдинов В.С., Дмитриев Д.И., Иванова И.В., Титтертон Д.Г. Воздействие струи турбореактивного авиационного двигателя на лазерное излучение. Ч.2. Случайные блуждания возмущенного пучка.//Оптика атмосферы и океана.- 2001.-т.14, №10.- c.900-905.

17.Sirazetdinov V. S., Dmitriev D. I., Ivanova I. V., Titterton D. H. Random wandering of laser beams under the effect of a turbulent jet of an aero-engine.//Proc. SPIE.-2001.- v.4678.- p. 115-123.

18.Дмитриев Д.И., Евченко Ю.Н., Иванова И.В., Сиразетдинов В.С. Многокадровая регистрация лазерного излучения, искаженного турбулентной струей авиационного двигателя.//Сб. трудов международной конференции «Прикладная оптика-2000».-СПб.-2000.т.1.- с.130-131.

19.Дмитриев Д.И., Евченко Ю.Н., Иванова И.В., Сиразетдинов В.С. Многокадровая регистрация лазерного излучения, искаженного турбулентной струей авиационного двигателя.//Оптич. журнал.- 2001.-т.68, №6.-с.3-5.

20.Borisova N.F., Ivanova I. V., Sirazetdinov V. S. Distorsions of laser beams by turbulent aeroengine jet: experiment and numerical modeling. //Proc. SPIE.- 2003, -v. 5381, -p. 50-61.

21.Борисова Н.Ф., Иванова И.В., Сиразетдинов В.С. Численное моделирование распространения лазерных пучков через турбулентную струю авиадвигателя.//Оптика атмосферы и океана.- 2003, -т.16.- №10.- с.869-874.

22.Sirazetdinov V. S., Dmitriev D. I., Ivanova I. V., Titterton D. H. Effect of Turbulence Intermittence on the Structure of Laser Beams Intersecting an Aero-Engine Jet Exhaust.// Proc.

SPIE.- 2003.- v.5026.- p.100 –111.

23.Дмитриев Д.И., Иванова И.В., Сиразетдинов В.С., Титтертон Д.Г. Статистика флуктуаций структурного состояния лазерного пучка, возмущенного струей авиационного двигателя.

//Оптика атмосферы и океана.- 2004.-т. 17. - №1.-с.1-7.

24.Sirazetdinov V.S., Ivanova I.V. Simulation of laser beams propagation through turbulent medium by means of Fresnel transformation.// Proc. SPIE.-2004,-т.5743, -с. 81-93.

25.Ivanova I.V., Dmitriev D.I., Sirazetdinov V.S. Probability density of intensity fluctuations for laser beams disturbed by turbulent aero-engine exhaust. //Proc. SPIE.- 2006.-v.6594.-p.210-217.

26. Sirazetdinov V.S., Alekseev V.N., Bessarab A.V., Charukhchev A.V., Chernov V.N., Kotilev V.N., Liber V.I., Rukavishnikov N.N. Express method for estimating surface resistance of optical components to laser-induced damage.//Proc. SPIE.-2001.-v.4424.-p.179-182.

27.Алексеев В.Н., Бессараб А.В., Гаранин С.Г., Дмитриев Д.И., Иванова И.В., Кириллов Г.А., Котылев В.Н., Либер В.И., Рукавишников Н.Н., Сиразетдинов В.С., Сухарев С.А., Чарухчев А.В., Чернов В.Н., Шаров О.А. Исследование лучевой прочности поверхности экспериментального лазерного стекла.//Оптич. журнал.- 2002.- т.69, №1, -c.11-15.

28. Sirazetdinov V.S., Alekseev V.N., Dmitriev D.I., Charukhchev A.V., Chernov V.N., Kotilev V.N., Liber V.I., Rukavishnikov N.N. Express method of estimating laser-induced surface damage threshold for optical components. //Laser and Particle Beams.- 2002.-v. 20, -p.133-137.

29. Сиразетдинов В.С., Дмитриев Д.И., Иванова И.В., Чарухчев А.В. Измерение коэффициента нелинейности показателя преломления стекол, используемых в оптическом тракте мощных лазеров.//Оптич. журнал.-2003.- т.70, №4,-с.91-97.

30.Арбузов В.И., Волынкин В.М., Лунтер С.Г., Никитина С.И., Петровский Г.Т., Пономарев В.Я., Семенов А.Д., Сиразетдинов В.С., Федоров Ю.К., Чарухчев А.В., Шашкин В.С., Шашкин А.В. Крупногабаритные дисковые активные элементы из неодимового фосфатного стекла для мощных энергетических лазеров.//Оптич. журнал.-2003.-т.70, №5.-с.68-78.

31.Dmitriev D.I., Ivanova I.V., Sirazetdinov V.S., Charukhchev A.V. Laser System for Measurement Nonlinear Properties of Optical Materials.//- Proc. SPIE.- 2004, v.5381, -p. 62-70.

32. Sirazetdinov V.S., Dmitriev D.I., Ivanova I.V., Charukhchev A.V. Measurements of nonlinear refractive index in glasses. - Proc. SPIE, 2004, V 5478, p. 80 -87.

33. Dmitriev D.I., Sirazetdinov V.S., Ivanova I.V., Charukhchev A.V. Measuring specific amplification coefficient for stimulated Brillouin scattering of radiation in glasses used in optical channel of powerful lasers. //Proc. SPIE, 2003, V. 5478, p.98 -106.

34.Гаранин С.Г., Дмитриев Д.И., Иванова И.В., Сиразетдинов В.С., Сухарев С.А., Чарухчев А.В. Способ определения коэффициента нелинейности показателя преломления оптических сред. //Патент РФ №2253102. Б.И.-2005.- №15.

35. Дмитриев Д.И., Иванова И.В.,Сиразетдинов В.С., Чарухчев А.В.Способ определения коэффициента усиления излучения оптическими средами при вынужденном рассеянии Мандельштама Бриллюэна. //Патент РФ №2264612. -Б.И. -2005. -№32.

36. Arbuzov V.I., Fyodorov Yu.K., Kramarev S.I., Lunter S.G., Nikitina S.I., Pozharskii A.N., Shashkin A.V., Semyonov V.E., Ter-Nersesyants V.E., Charukchev A.V., Sirazetdinov V.S., Garanin S.G., Sukharev A.A. Neodimium phosphate glasses for the active elements of a 128 channel laser facility.// Proc. VII Europ. Society of Glass Science and Techn. Conf.-2005.-v.46, Part 2.-p.67-70.

37. Дмитриев Д.И., Иванова И.В., Пасункин В.Н., Сиразетдинов В.С., Чарухчев А.В.

Измерение удельного коэффициента усиления при вынужденном рассеянии МандельштамаБриллюэна в стеклах.//Опт. и спектр.-2006.-т.101,-№3.-с.474-481.

38.Dmitriev D.I., Arbuzov v.I., Dukelsky k.V., Zhilin A.A., Ivanova I.V., Pasunkin V.N., Pestov Yu.I., Sirazetdinov V.S., Charukhchev A.V., Shashkin V.S. Testing of KGSS-0180 laser glass for platinum micro-inclusions. //Proc. SPIE.- 2006.-v.6594.-p.202-209.

39. Sirazetdinov V.S., Dmitriev D.I., Ivanova I.V. Measurements of laser-induced damage thresholds for KGSS 0180 glass surface.// Proc. SPIE.- 2006.-v.6594.-p.218-226.

40. Sirazetdinov V.S., Arbuzov V.I., Dmitriev D.I., Dukelsky K.V., Ivanova I.V., Lunter S.G.

Pasunkin V.N., Savkin A.V., Charukhchev A.V., Sharov O.A. Resistance of KGSS 01Neodymium Glass to Laser-Induced Damage under Different Irradiation Conditions.// Proc.SPIE.2006.-v.6610.-p.216-224.




© 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.