[go: up one dir, main page]

RU2157034C2 - Soft diaphragm for lasers - Google Patents

Soft diaphragm for lasers Download PDF

Info

Publication number
RU2157034C2
RU2157034C2 RU98121607/28A RU98121607A RU2157034C2 RU 2157034 C2 RU2157034 C2 RU 2157034C2 RU 98121607/28 A RU98121607/28 A RU 98121607/28A RU 98121607 A RU98121607 A RU 98121607A RU 2157034 C2 RU2157034 C2 RU 2157034C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
cell
liquid
laser
cuvette
dish
Prior art date
Application number
RU98121607/28A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU98121607A (en
Inventor
Ю.В.(RU) Сенатский
Ю.В. Сенатский
Л.М.(RU) Виноградский
Л.М. Виноградский
И.Г.(RU) Зубарев
И.Г. Зубарев
В.М.(RU) Мизин
В.М. Мизин
тахин М.В.(RU) П
М.В. Пятахин
Кен-ичи Уеда (JP)
Кен-ичи Уеда
Original Assignee
Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН filed Critical Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН
Priority to RU98121607/28A priority Critical patent/RU2157034C2/en
Publication of RU98121607A publication Critical patent/RU98121607A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2157034C2 publication Critical patent/RU2157034C2/en

Links

Images

Landscapes

  • Optical Measuring Cells (AREA)

Abstract

FIELD: laser optics; solid-state and gas lasers for laser fusion technology. SUBSTANCE: soft diaphragm built around dish with two windows interconnected through sealed joint by means of spacer ring with holes which forms casing has optically transparent insert (refraction index ni) in the form of convex-concave meniscus with spherical or aspherical surfaces placed between windows with two liquid- filled clearances between them. Only one clearance between window and convex surface of meniscus is filled with liquid (refraction index nl1) absorbing radiation from laser beam of wavelength λ incident on dish; second clearance is filled with liquid having refraction index nl2 that does not absorb laser radiation. Thickness of absorbing liquid layer increasing as function of dish radius r from its axis to periphery smooths down (anodizes) flow section of dish obeying desired law with contrast K in the range of 102-106. Differences between refraction indices Δn1 and Δn2 of insert and liquid Δn1= ni-nl1 and Δn2= ni-nl2, respectively, are chosen are chosen so as to ensure that maximal deflection angle φ(a) of beam incident on dish periphery at r = a is within diffraction angle φ(a)<1,22λ/2a for dish aperture diameter 2a. Dish components may be made of various optical materials and may use various working liquids with permissible deviation of their refraction indices Δn < 0,1. EFFECT: improved stability at temperature fluctuations within several degrees. 2 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к лазерной оптике и может быть использовано при работе с твердотельными и газовыми лазерами, применяемыми в лазерной технологии, лазерной медицине, в научных исследованиях, в лазерных установках, разрабатываемых по программе лазерного термоядерного синтеза. The invention relates to laser optics and can be used when working with solid-state and gas lasers used in laser technology, laser medicine, in scientific research, in laser installations developed according to the program of laser fusion.

Мягкие диафрагмы-аподизаторы световых пучков являются достаточно широко используемыми в настоящее время устройствами в оптическом тракте современных мощных лазерных установок. Они применяются для сглаживания пространственного распределения интенсивности в лазерных пучках, их применение позволяет подавить резкие всплески интенсивности, возникающие в апертуре пучков при их дифракции на обычных ("жестких") диафрагмах. Тем самым, применение мягких диафрагм повышает устойчивость мощных лазерных пучков по отношению к самофокусировке. Оно также позволяет оптимизировать энергосъем в активной среде за счет повышения фактора заполнения излучением рабочей апертуры усилителя, повысить эффективность преобразования лазерного излучения в высшие гармоники [1-8]. Soft diaphragms-apodizers of light beams are currently widely used devices in the optical path of modern high-power laser systems. They are used to smooth the spatial distribution of intensity in laser beams; their application allows one to suppress sharp bursts of intensity arising in the aperture of beams when they are diffracted by conventional ("hard") diaphragms. Thus, the use of soft diaphragms increases the stability of high-power laser beams with respect to self-focusing. It also makes it possible to optimize energy removal in the active medium by increasing the factor of filling the working aperture of the amplifier with radiation, and increasing the efficiency of converting laser radiation to higher harmonics [1-8].

Несмотря на большое число предлагавшихся методов и технологий формирования мягких диафрагм, реальное использование в оптическом тракте мощных лазеров нашли лишь несколько типов аподизаторов, отличающихся достаточно высокой стойкостью к лазерному излучению (1-5 Дж/см2) и высоким контрастом - отношением коэффициентов пропускания излучения на оси и на периферии пучка, К = 102-103. Среди них - так называемые зубчатые диафрагмы из металла [8], диафрагмы на основе частично матированных стеклянных пластинок [5] диафрагмы на основе многослойных диэлектрических покрытий и некоторые другие [6, 7].Despite the large number of proposed methods and technologies for forming soft diaphragms, only a few types of apodizers have found the real use of high-power lasers in the optical path, which are distinguished by a sufficiently high resistance to laser radiation (1-5 J / cm 2 ) and high contrast - the ratio of the transmittance of radiation to axis and on the periphery of the beam, K = 10 2 -10 3 . Among them are the so-called serrated metal diaphragms [8], diaphragms based on partially frosted glass plates [5] diaphragms based on multilayer dielectric coatings, and some others [6, 7].

Наиболее высокие значения контраста до K ≥ 106 оказывается возможным получить в мягких диафрагмах на основе слоев переменной толщины из веществ, поглощающих лазерное излучение [2-6]. Лучевая прочность таких диафрагм может превышать 1 Дж/cм2 [2-6] . Известным устройством, реализующим эту возможность, является кювета с внутренней полостью переменной толщины, заполненной жидкостью с коэффициентом поглощения k [2, 3, 5, 6]. Для того, чтобы лазерный пучок с равномерным распределением интенсивности, падающий на такую кювету, на выходе из нее приобрел мягкое распределение интенсивности, описываемое супергауссовой функцией с контрастом К, зависимость коэффициента пропускания диафрагмы от радиуса r Tr должна описываться функцией вида

Figure 00000002

а профиль оптических элементов, ограничивающих слой поглощающей жидкости, должен быть, вообще говоря, асферическим. При этом зависимость толщины слоя поглотителя от радиуса r описывается функцией вида
Figure 00000003

Здесь: Т(о) - пропускание на оси диафрагмы,
а - радиус диафрагмы, при котором Т(r) уменьшается в К раз,
h0 ≥ 0 - толщина слоя поглогителя на оси диафрагмы.It is possible to obtain the highest contrast values up to K ≥ 10 6 in soft diaphragms based on layers of variable thickness from substances absorbing laser radiation [2-6]. The radiation strength of such diaphragms can exceed 1 J / cm 2 [2-6]. A known device that implements this opportunity is a cell with an internal cavity of variable thickness filled with a liquid with an absorption coefficient k [2, 3, 5, 6]. In order for a laser beam with a uniform intensity distribution incident on such a cuvette to acquire a soft intensity distribution at the exit from it, described by a super-Gaussian function with contrast K, the dependence of the transmittance of the diaphragm on the radius r Tr should be described by a function of the form
Figure 00000002

and the profile of the optical elements bounding the layer of the absorbing liquid should be, generally speaking, aspherical. The dependence of the thickness of the absorber layer on the radius r is described by a function of the form
Figure 00000003

Here: T (o) - transmission on the axis of the diaphragm,
a is the radius of the diaphragm at which T (r) decreases by a factor of K,
h 0 ≥ 0 is the thickness of the absorber layer on the axis of the diaphragm.

Известна мягкая диафрагма на основе кюветы из стекла, одно из окон которой представляет плоскопараллельную пластину, а другое - плосковыпуклую сферическую линзу [3, 5, 6]. В качестве поглощающей жидкости на длине волны неодимового лазера λ = 1,06 мкм в кювете использован раствор медного купороса [3, 5, 6]. Функция пропускания такой диафрагмы близка к гауссовой, а контраст невысок K≤102 [3, 5, 6].A soft diaphragm based on a glass cuvette is known, one of the windows of which is a plane-parallel plate, and the other is a plano-convex spherical lens [3, 5, 6]. A solution of copper sulfate was used as an absorbing liquid at a wavelength of a neodymium laser λ = 1.06 μm in a cuvette [3, 5, 6]. The transmission function of such an aperture is close to Gaussian, and the contrast is low K≤10 2 [3, 5, 6].

Известна также мягкая диафрагма-кювета на основе раствора красителя, в которой одно из окон плоскопараллельное, а другое представляет собой плосковыпуклую асферическую линзу [2]. В такой кювете - мягкой диафрагме возможно получить супергауссовую функцию пропускания и, за счет высоких значений коэффициента поглощения красителя, значения контраста вплоть до K ≥ 106 [2].A soft diaphragm cuvette based on a dye solution is also known, in which one of the windows is plane-parallel and the other is a plano-convex aspherical lens [2]. In such a cuvette — a soft diaphragm, it is possible to obtain a super-Gaussian transmission function and, due to the high values of the dye absorption coefficient, contrast values up to K ≥ 10 6 [2].

Основным недостатком предлагавшихся в работах [2, 3, 5, 6] конструкций кювет - мягких диафрагм является необходимость с очень высокой точностью подбирать равенство показателей преломления заполняющей кювету жидкости, nж, и материала окна с криволинейной поверхностью n1, а также необходимость строго контролировать температурный режим таких кювет - мягких диафрагм. Действительно, кювета с линзоподобным окном обладает значительной оптической силой, если только заполняющая кювету рабочая жидкость не является строго иммерсионной жидкостью для материала окна с криволинейной поверхностью. Отклонение от иммерсии будет, естественно, вызывать сильные фазовые искажения в пучке, проходящем такую кювету. По оценкам, для диафрагм с апертурами ≅ 70 мм допустимое отклонение показателей преломления Δn=n1-nж не должно превышать 10-5. В этом случае фазовые искажения в пучке, прошедшем кювету - мягкую диафрагму, будут укладываться в пределах дифракционного угла ≅ 10-5 рад. Это условие, как нетрудно видеть, накладывает жесткие требования и на температурный режим такого устройства. Действительно, температурный коэффициент показателей преломления β большинства органических растворителей для красителей, используемых в лазерах видимого и ближнего ИК диапазонов длин волн λ, составляет величину βж =(-2)-(-5) • 104/K [9]. Для большинства стекол и кристаллов, которые могут быть использованы в конструкции кюветы, в этом же диапазоне длин волн β1 = 10-6 - 10-7 /К [10]. Таким образом, основной причиной нарушения условия иммерсии в кювете окажутся вариации величины nж, связанные с небольшими отклонениями температуры кюветы. Для поддержания условия иммерсии в кювете потребуется, таким образом, ее термостабилизация с точностью Δt ≈ 0,1 К. Эти особенности работы мягких диафрагм - кювет [2, 3, 5, 6] с профилированным слоем жидкости затрудняют, конечно, их практическое использование.The main drawback of the designs of cuvettes – soft diaphragms proposed in [2, 3, 5, 6] is the need to select with very high accuracy the equality of the refractive indices of the liquid filling the cuvette, n w , and the material of the window with a curved surface n 1 , as well as the need to strictly control temperature conditions of such ditches - soft diaphragms. Indeed, a cuvette with a lens-like window has significant optical power, unless the working fluid filling the cuvette is a strictly immersion liquid for the material of the window with a curved surface. A deviation from immersion will naturally cause strong phase distortions in the beam passing through such a cuvette. According to estimates, for diaphragms with apertures ≅ 70 mm, the permissible deviation of the refractive indices Δn = n 1 -n w should not exceed 10 -5 . In this case, phase distortions in the beam passing through the cell — the soft diaphragm — will fit within the diffraction angle of ≅ 10 -5 rad. This condition, as is easy to see, imposes stringent requirements on the temperature regime of such a device. Indeed, the temperature coefficient of refractive indices β of most organic solvents for dyes used in lasers in the visible and near IR wavelength ranges λ is β l = (- 2) - (- 5) • 10 4 / K [9]. For most glasses and crystals that can be used in the design of the cell, in the same wavelength range β 1 = 10 -6 - 10 -7 / K [10]. Thus, the main reason for the violation of the immersion condition in the cuvette will be variations in the value of n W associated with small deviations in the temperature of the cuvette. To maintain the immersion condition in the cuvette, it will therefore be necessary to stabilize it with an accuracy of Δt ≈ 0.1 K. These features of the operation of soft diaphragms — the cuvette [2, 3, 5, 6] with a profiled layer of liquid, make their practical use difficult, of course.

Известна конструкция кюветы с двумя плоскопараллельными окнами, разделенными вставкой (вкладышем) из плоскопараллельной кварцевой пластины [11]. Такой вкладыш образовывал с входным и выходным окнами кюветы зазоры с постоянной толщиной, заполнявшиеся одним и тем же раствором просветляющегося красителя [11] . Кювета в работе [11] использовалась в качестве межкаскадной развязки усилителя- обострителя лазерных импульсов. Кювета с плоскопараллельным вкладышем не могла при этом обеспечивать функции мягкой диафрагмы. A known design of the cell with two plane-parallel windows, separated by an insert (insert) of plane-parallel quartz plate [11]. Such an insert formed gaps with a constant thickness with the entrance and exit windows of the cell, filled with the same solution of a bleachable dye [11]. The cell in [11] was used as an interstage decoupling of an amplifier-sharpener of laser pulses. A cuvette with a plane-parallel insert could not provide the functions of a soft diaphragm.

Наиболее близким к изобретению (прототипом) является устройство мягкой диафрагмы-кюветы, рассматривавшееся в работе [12]. В этой работе приведена конструкция кюветы фиг.1 с двумя окнами, герметично соединенными между собой с зазором, заполненным рабочей жидкостью, причем толщина зазора нарастает от оси кюветы к ее периферии за счет линзоподобного профиля поверхности одного из окон. На фиг.1 и в тексте приняты следующие обозначения:
1 - окна кюветы (стекло, кварц);
2 - профилированная зона окна;
3 - слой поглощающей жидкости,
4 - плоскость оптического контакта.
Closest to the invention (prototype) is a device of a soft diaphragm-cell, considered in [12]. In this work, the design of the cuvette of Fig. 1 with two windows hermetically connected to each other with a gap filled with a working fluid is given, and the thickness of the gap increases from the axis of the cuvette to its periphery due to the lens-like surface profile of one of the windows. In figure 1 and in the text, the following notation:
1 - cell windows (glass, quartz);
2 - profiled area of the window;
3 - layer of absorbing liquid,
4 - plane of the optical contact.

Отмечается, что для создания профилированного слоя рабочей жидкости в кювету может быть помещен вкладыш, однако конструкция кюветы со вкладышем не приводится. Достоинством конструкции мягкой диафрагмы-кюветы из работы [12] является ее герметичность, что существенно при работе с агрессивными и токсичными рабочими жидкостями. При использовании в кювете растворов просветляющегося под действием лазерного излучения красителя кювета-мягкая диафрагма может применяться и в качестве пассивного затвора-модулятора добротности в генераторе или межкаскадной развязке в лазерном усилителе. Необходимо отметить, что при использовании просветляющегося красителя профиль пропускания кюветы начинает зависеть от интенсивности падающего на нее лазерного излучения. Однако и для конструкции кюветы из работы [12] свойственны отмеченные выше недостатки, затрудняющие ее использование в качестве мягкой диафрагмы и пассивного затвора: необходимость подбора с высокой точностью равенства показателей преломления рабочей жидкости и материала окна с криволинейной поверхностью и, как следствие, необходимость жесткой термостабилизации кюветы. It is noted that in order to create a profiled layer of the working fluid, an insert can be placed in the cuvette, however, the design of the cuvette with the insert is not given. An advantage of the design of a soft diaphragm-cell from [12] is its tightness, which is essential when working with aggressive and toxic working fluids. When using dye solutions of a cuvette dye that is illuminated by laser radiation in a cuvette, a soft diaphragm can also be used as a passive Q-switch in a generator or interstage decoupling in a laser amplifier. It should be noted that when using a bleachable dye, the transmittance profile of the cell begins to depend on the intensity of the laser radiation incident on it. However, the design of the cuvette from [12] is also characterized by the drawbacks noted above that make it difficult to use as a soft diaphragm and a passive shutter: the need to select with high accuracy the equality of the refractive indices of the working fluid and the material of the window with a curved surface and, as a consequence, the need for rigorous thermal stabilization ditches.

Задачей данного изобретения являлось создание конструкции мягкой диафрагмы для лазеров на основе кюветы с поглощающей лазерное излучение жидкостью, обладающей сглаженной функцией пропускания с высоким контрастом и обеспечивающей аподизацию пучков лазерного излучения в ближнем УФ, видимом и ближнем ИК диапазонах длин волн, и при этом не требующей жесткой термостабилизации и точного подбора равенства показателей преломления материалов оптических деталей кюветы и рабочей жидкости. При использовании в кювете просветляющегося красителя кювета также должна выполнять функции пассивного оптического затвора. The objective of this invention was to create a design of a soft diaphragm for lasers based on a cuvette with a laser absorbing liquid with a smooth transmission function with high contrast and providing apodization of laser beams in the near UV, visible and near infrared wavelengths, and without requiring a rigid thermal stabilization and accurate selection of the equality of the refractive indices of the materials of the optical parts of the cell and the working fluid. When using a translucent dye in a cuvette, the cuvette should also serve as a passive optical shutter.

Заявляемое техническое решение представляет собой мягкую диафрагму для лазеров на основе кюветы, фиг.2, с двумя окнами, герметично соединенными между собой проставочным кольцом с отверстиями и образующими корпус, содержащий вкладыш из оптически прозрачного материала с показателем преломления nв, размещенный между окнами с двумя зазорами, заполненными через отверстия жидкостью с показателем преломления nж, поглощающей излучение с длиной волны λ из лазерного пучка, падающего на кювету, причем толщина по крайней мере одного из зазоров, заполненного жидкостью, нарастает от оси кюветы к ее периферии. При этом вкладыш выполнен в виде выпукло-вогнутого мениска со сферическими или асферическими поверхностями, а зазоры заполнены независимо различными жидкостями, причем поглощающей лазерное излучение жидкостью с показателем преломления nж заполнен только зазор между одним из окон кюветы и выпуклой поверхностью мениска, а второй зазор заполнен прозрачной для лазерного излучения жидкостью с показателем преломления nж1, при этом рассогласования Δn1,2 показателей преломления вкладыша и жидкостей Δn1,2 = nв-nж2 выбираются такими, чтобы максимальный угол отклонения пучка излучения, выходящего на периферии кюветы при ψ (а), находился в пределах дифракционного угла для апертуры кюветы диаметром 2а, ψ (а) < 1,22 λ /2а.The claimed technical solution is a soft diaphragm for lasers based on a cuvette, figure 2, with two windows hermetically connected by a spacer ring with holes and forming a housing containing a liner of optically transparent material with a refractive index n in placed between the windows with two gaps filled with liquid through the holes with a refractive index n x, absorbing radiation with a wavelength λ of the laser beam incident on the cell, wherein a thickness of at least one of the gaps, s complements liquid increases from the cell axis to its periphery. When this insert is formed as a convex-concave meniscus with spherical or aspherical surfaces, and the gaps are filled independently with various liquids, the absorbing laser light liquid with a refractive index n w filled only the clearance between one of the cell windows and the convex surface of the meniscus, and a second gap is filled a liquid transparent to laser radiation with a refractive index of n Ж1 , while the discrepancies Δn 1,2 of the refractive indices of the liner and liquids Δn 1,2 = n in -n Ж2 are chosen so that the max the maximum deflection angle of the radiation beam emerging at the periphery of the cell at ψ (a) was within the diffraction angle for the aperture of the cell with a diameter of 2a, ψ (a) <1.22 λ / 2a.

Кроме того, при использовании в кювете в качестве поглощающей жидкости просветляющегося красителя кювета может быть использована как пассивный затвор для лазеров. In addition, when used in a cuvette as an absorbing liquid, a bleachable colorant can be used as a passive shutter for lasers.

Конструкция кюветы представлена на фиг.2. На фиг.2 и в тексте приняты следующие обозначения:
1 - окна кюветы (стекло, кварц),
2 - проставочное кольцо (стекло, кварц) на оптическом контакте с окнами,
3 - слой поглощающей жидкости,
4 - вкладыш в виде выпукло-вогнутого мениска (стекло, кварц, пластмасса),
5 - уплотнения,
6 - отверстия для заливки жидкости,
7 - слой непоглощающей жидкости.
The design of the cell is shown in figure 2. In figure 2 and in the text, the following notation:
1 - cell windows (glass, quartz),
2 - a spacer ring (glass, quartz) at the optical contact with the windows,
3 - layer of absorbing liquid,
4 - insert in the form of a convex-concave meniscus (glass, quartz, plastic),
5 - seals,
6 - holes for pouring liquid,
7 - a layer of non-absorbing liquid.

Корпус кюветы образуется двумя плоскопараллельными окнами 1 из оптически прозрачного материала, герметически соединенными между собой проставочным кольцом 2. В корпусе между окнами кюветы размещен вкладыш 4 из оптически прозрачного материала в виде выпукло-вогнутого мениска. Образующиеся между окнами и вкладышем зазоры заполняются жидкостью, причем поглощающей лазерное излучение жидкостью 3 (например, раствором красителя) заполняется только один из зазоров между окном кюветы и выпуклой поверхностью мениска. Этот зазор и формирует мягкий профиль пропускания кюветы. Второй зазор - между вогнутой поверхностью мениска и другим окном заполняется прозрачной для лазерного излучения жидкостью 7 (например, чистым растворителем без красителя). В конструкции кюветы предусмотрены уплотнения 5 и отверстия 6, выполненные в проставочном кольце для раздельного заполнения зазоров рабочими веществами. The cuvette body is formed by two plane-parallel windows 1 of an optically transparent material, hermetically connected to each other by a spacer ring 2. In the case between the cell windows there is an insert 4 of optically transparent material in the form of a convex-concave meniscus. The gaps formed between the windows and the liner are filled with a liquid, and only one of the gaps between the cell window and the convex meniscus surface is filled with a liquid 3 absorbing laser radiation (for example, a dye solution). This gap forms a soft transmission profile of the cell. The second gap - between the concave surface of the meniscus and another window is filled with a liquid 7 transparent to laser radiation (for example, with a clean solvent without dye). The design of the cuvette includes seals 5 and holes 6, made in the spacer ring for separate filling of the gaps with working substances.

Такая конструкция обеспечивает работу кюветы в качестве мягкой диафрагмы в практически приемлемых, некритичных по отклонениям показателей преломления Δn = nв-nж и по термостабилизации условиях. Действительно, оптическая сила мениска, находящегося в среде с близким показателем преломления, весьма мала. В этой связи для конструкции заявляемой кюветы следует ожидать значительного смягчения требований на допустимые значения отклонения показателей преломления вкладыша и жидкости Δn и соответственно на отклонения температуры. Для пояснения сущности заявляемого технического решения на фиг.3а и б приводится сопоставление хода лучей пучка излучения, проходящего через кювету с равнотолщинным менисковым вкладышем, фиг.3а, и через кювету, в которой вкладыш представляет собой плосковыпуклую линзу, фиг.3б. На фиг.3а и б и в тексте приняты следующие обозначения:
H - толщина мениска,
h(r) - профиль поглощающего слоя,
r - радиус кюветы,
R - радиусы кривизны сферических поверхностей мениска,
φ - угол отклонения луча, прошедшего кювету с равнотолщинным мениском,
φ1 - угол отклонения луча на выходе кюветы с плосковыпуклой линзой.
Such a design ensures the operation of the cuvette as a soft diaphragm under practically acceptable, non-critical in terms of deviations of refractive indices Δn = n in -n w and thermal stabilization conditions. Indeed, the optical power of a meniscus located in a medium with a close refractive index is very small. In this regard, for the design of the claimed cell, one should expect a significant softening of the requirements for acceptable deviations of the refractive indices of the liner and the liquid Δn and, accordingly, for temperature deviations. To clarify the essence of the claimed technical solution, FIGS. 3a and b compare the path of the rays of the radiation beam passing through the cell with an equal-thickness meniscus insert, FIG. 3a, and through the cell in which the insert is a plano-convex lens, FIG. 3b. On figa and b and in the text the following notation:
H is the thickness of the meniscus,
h (r) is the profile of the absorbing layer,
r is the radius of the cell
R are the radii of curvature of the spherical meniscus surfaces,
φ is the angle of deviation of the beam passing through the cell with an equal thickness meniscus,
φ 1 - the angle of deviation of the beam at the exit of the cell with a plano-convex lens.

Угол отклонения φ для луча, прошедшего кювету с равнотолщинным мениском, фиг.3а, описывается следующим соотношением:

Figure 00000004

Здесь n* = nв/nж - относительный показатель преломления для границы раздела мениск - жидкость, nв - показатель преломления для границы раздела мениск - воздух, т. е. Δn-nж(n*-1). Для сравнения угол отклонения φ1 для кюветы с линзой, фиг.3б, описывается формулой
Figure 00000005

Применение кюветы с мениском может обеспечить, таким образом, выигрыш в угле отклонения порядка
Figure 00000006

Полученные соотношения справедливы для малых углов падения, dh(r)/dr << 1. (4)
Нижеследующие примеры сопоставляют величины характерных угловых отклонений пучка на периферии кюветы с менисковым вкладышем со сферическими и асферическими поверхностями с отклонениями пучка в случае применения линзоподобного вкладыша. Для простоты расчетов менисковые вкладыши считались равнотолщинными, а линзовый вкладыш - плоско-выпуклым. Условие (4) во всех примерах выполнено nж1 = nж2 = nж
Пример 1. Сферические поверхности стеклянного мениска радиуса R. Выражение (1) для φ при этом
Figure 00000007

При r=a =3,5 см, Δn = 0,015, n* -1 = 10-2, H = 0,5 см; R = 17.5 см; nв = 1,5, nж = 1,485. Максимальный угол отклонения пучка на выходе из кюветы φ(a) ≅ 8 • 10-7, что заведомо меньше, чем дифракционная расходимость пучка на апертуре 2а = 7 см, ψд = 1,7 •10-5.The deflection angle φ for the beam passing the cell with an equal thickness meniscus, figa, is described by the following ratio:
Figure 00000004

Here n * = n in / n w is the relative refractive index for the meniscus - liquid interface, n in is the refractive index for the meniscus - air interface, i.e., Δn-n w (n * -1). For comparison, the deviation angle φ 1 for the cell with the lens, figb, is described by the formula
Figure 00000005

The use of a meniscus cell can thus provide a gain in the angle of deviation
Figure 00000006

The relations obtained are valid for small angles of incidence, dh (r) / d r << 1. (4)
The following examples compare the characteristic angular deviations of the beam at the periphery of the cell with a meniscus insert with spherical and aspherical surfaces with deviations of the beam in the case of a lens-like insert. For ease of calculation, meniscus inserts were considered equally thick, and the lens insert was considered flat-convex. Condition (4) in all examples is fulfilled n Ж1 = n Ж2 = n Ж
Example 1. Spherical surfaces of a glass meniscus of radius R. Expression (1) for φ in this case
Figure 00000007

When r = a = 3.5 cm, Δn = 0.015, n * -1 = 10 -2 , H = 0.5 cm; R = 17.5 cm; n in = 1.5, n w = 1.485. The maximum deflection angle of the beam at the exit from the cell is φ (a) • 8 • 10 -7 , which is obviously smaller than the diffraction divergence of the beam at the aperture 2a = 7 cm, ψ d = 1.7 • 10 -5 .

Сферическая поверхность мениска создает профиль пропускания кюветы вида гауссовой функции. Для падающей интенсивности I0(r) = const при h0 = 0 прошедшая интенсивность пучка будет

Figure 00000008

где a - радиус, соответствующий спаданию интенсивности в К раз. Для K= 1000 из представленных выше данных можно вычислить требуемый коэффициент поглощения раствора красителя (без просветления) к= 20 см-1 и толщину его слоя на периферии кюветы h(a)=3,5 мм.The spherical surface of the meniscus creates a transmission profile of a cell of the form of a Gaussian function. For the incident intensity I 0 (r) = const at h 0 = 0, the transmitted beam intensity will be
Figure 00000008

where a is the radius corresponding to a decrease in intensity by a factor of K. For K = 1000, from the above data it is possible to calculate the required absorption coefficient of the dye solution (without bleaching) k = 20 cm −1 and its layer thickness at the periphery of the cell h (a) = 3.5 mm.

Для сравнения вычисляем угол отклонения пучка φ1 для кюветы-прототипа с вкладышем в виде плосковыпуклой линзы, фиг.3б:

Figure 00000009

Это отклонение значительно больше дифракционного угла и недопустимо при работе с пучками, имеющими угловую расходимость ≤ 10-4 рад. Отношение углов отклонения φ/φ1 = 10-4, т.е. выигрыш в уменьшении искажений угловой расходимости лазерного пучка в случае использования кюветы с менисковым вкладышем составляет 4 порядка при значении Δn = 0,015.For comparison, we calculate the beam deflection angle φ 1 for the prototype cell with an insert in the form of a plano-convex lens, Fig.3b:
Figure 00000009

This deviation is much larger than the diffraction angle and is unacceptable when working with beams with angular divergence ≤ 10 -4 rad. The ratio of deviation angles φ / φ 1 = 10 -4 , i.e. The gain in reducing distortions of the angular divergence of the laser beam in the case of using a cell with a meniscus insert is 4 orders of magnitude with a value of Δn = 0.015.

Пример 2. Асферические поверхности равнотолщинного менискового вкладыша. Профиль пропускания диафрагмы в этом случае должен обеспечивать формирование пучка с распределением интенсивности вида

Figure 00000010
.Example 2. Aspherical surfaces of an equal thickness meniscus insert. The diaphragm transmission profile in this case should ensure the formation of a beam with a distribution of the intensity of the form
Figure 00000010
.

Профиль слоя красителя

Figure 00000011

где h0 = h(0).Dye layer profile
Figure 00000011

where h 0 = h (0).

Для K=1000 максимальная толщина слоя красителя (без просветления) h(a) = 1,4 мм, для k = 50 см-1.For K = 1000, the maximum thickness of the dye layer (without bleaching) h (a) = 1.4 mm, for k = 50 cm -1 .

Максимальный угол отклонения пучка на выходе кюветы описывается в этом случае выражением вида

Figure 00000012

Произведем оценку отклонения пучка в кювете с мениском для следующих значений параметров:
N = 5, а = 3,5 см, H = 0,5 см, nв = 1,5, n*-1 = 10-2, Δn = 0,015, k = 50 см-1. Получаем φ ≃ 3•10-6. Отклонение луча в кювете с асферической линзой (фиг.3б) φ1 ≃ 3 • 10-3, что неприемлемо для практики.The maximum beam deflection angle at the exit of the cell is described in this case by an expression of the form
Figure 00000012

Let us estimate the deflection of the beam in the meniscus cell for the following parameter values:
N = 5, a = 3.5 cm, H = 0.5 cm, n in = 1.5, n * -1 = 10 -2 , Δn = 0.015, k = 50 cm -1 . We obtain φ ≃ 3 • 10 -6 . The deviation of the beam in a cuvette with an aspherical lens (Fig.3b) φ 1 ≃ 3 • 10 -3 , which is unacceptable for practice.

Выигрыш от применения мениска в этом случае φ/φ1 = 1 • 10-3.The gain from the use of the meniscus in this case is φ / φ 1 = 1 • 10 -3 .

Таким образом, использование в кювете менискового вкладыша как со сферическими так и с асферическими поверхностями не приводит к угловым отклонениям лазерного пучка за пределы дифракционной расходимости. Проведенные расчеты показывают, что примененные кювет с менисковым вкладышем может обеспечить работу подобных устройств в качестве "мягких" диафрагм при рассогласованиях коэффициентов преломления жидкости и вкладыша вплоть до 0,1. Это означает практически нечувствительность таких кювет к изменениям температуры в пределах нескольких градусов. Кроме того, открывается возможность поиска различных материалов для изготовления окон и вкладыша кюветы среди широкого класса сред, прозрачных в ближнем УФ, видимом и ближнем ИК участках спектра, включая не только стекла и кристаллы, но, например, и оптические пластмассы. Расширяется также и диапазон возможных растворителей, красителей, растворов солей для заполнения кюветы. Интерес может вызвать применение в кюветах нетоксичных, неагрессивных растворителей, таких, например, как вода. Перечисленные преимущества должны способствовать широкому практическому применению предлагаемой конструкции с лазерами, работающими в ближнем УФ, видимом и ближнем ИК участках спектра. Выбор формы поверхности менискового вкладыша позволит формировать распределение интенсивности в лазерных пучках как гауссовой, так и супергауссовой формы, а выбор концентрации красителя в растворе позволит получать для этих распределений значения контраста K = 102 - 106.Thus, the use of a meniscus insert in a cuvette with both spherical and aspherical surfaces does not lead to angular deviations of the laser beam beyond the limits of diffraction divergence. The calculations show that the applied cell with a meniscus insert can ensure the operation of such devices as “soft” diaphragms when the refractive indices of the liquid and the insert are mismatched up to 0.1. This means that these ditches are practically insensitive to temperature changes within a few degrees. In addition, it becomes possible to search for various materials for the manufacture of windows and the cell insert among a wide class of media transparent in the near UV, visible and near IR spectral regions, including not only glasses and crystals, but also, for example, optical plastics. The range of possible solvents, dyes, salt solutions for filling the cuvette is also expanding. Of interest may be the use of non-toxic, non-aggressive solvents in cuvettes, such as, for example, water. These advantages should contribute to the wide practical application of the proposed design with lasers operating in the near UV, visible and near infrared spectral regions. The choice of the surface shape of the meniscus liner will allow one to form the intensity distribution in the laser beams of both Gaussian and super-Gaussian shapes, and the choice of the dye concentration in the solution will make it possible to obtain contrast values K = 10 2 - 10 6 for these distributions.

Пример 3. Example 3

Применение просветляющегося красителя в заявляемом устройстве придает ему функции пассивного затвора: модулятор добротности или межкаскадной развязки в лазерной установке. Профиль пропускания кюветы с просветляющимся красителем начинает зависеть от интенсивности падающего излучения. Это означает, что профиль лазерного пучка, прошедшего оптический элемент, будет различным, например, на фронтах и в максимуме лазерного импульса, хотя и будет сглаженным (мягким). Применение кюветы с мягкой апертурой с просветляющимся красителем в качестве модулятора добротности в резонаторе лазера или в качестве пассивной развязки-обострителя импульсов в каскадах усиления будет определяться конкретными условиями лазерной установки и типом используемого красителя. Необходимо отметить, что применение в кювете с мениском вместо обычного красителя просветляющегося практически не оказывает влияния на оптическую силу устройства. Поэтому все выводы, касающиеся преимуществ кюветы с менисковым вкладышем по сравнению с линзовым вкладышем в части угловой расходимости прошедшего кювету пучка, остаются в силе. The use of a bleachable dye in the inventive device gives it the function of a passive shutter: a Q-switch or interstage decoupling in a laser system. The transmittance profile of a cell with a bleachable dye begins to depend on the intensity of the incident radiation. This means that the profile of the laser beam transmitted through the optical element will be different, for example, at the fronts and at the maximum of the laser pulse, although it will be smoothed (soft). The use of a cell with a soft aperture with a bleachable dye as a Q-factor in a laser cavity or as a passive decoupling-sharpener of pulses in amplification stages will be determined by the specific conditions of the laser setup and the type of dye used. It should be noted that the use in a cuvette with a meniscus instead of the usual dye bleach practically does not affect the optical power of the device. Therefore, all conclusions regarding the advantages of a cell with a meniscus insert compared with the lens insert in terms of the angular divergence of the beam passed through the cell remain valid.

Литература
1. Баранова Н. Б. , Быковский Н. Е. , Зельдович Б.Л., Сенатский Ю.В. "Дифракция и самофокусировка излучения в усилителе мощных световых импульсов". Квантовая электроника, 1, 11, 2435-2458 (1974).
Literature
1. Baranova N. B., Bykovsky N. E., Zeldovich B. L., Senatsky Yu.V. "Diffraction and self-focusing of radiation in an amplifier of powerful light pulses." Quantum Electronics, 1, 11, 2435-2458 (1974).

2. Costich V.L. and Johnson B.C. "Apertures to shape high-power beams" Laser Ffocus, September 1974, pp.43-46. 2. Costich V.L. and Johnson B.C. "Apertures to shape high-power beams" Laser Ffocus, September 1974, pp. 43-46.

3. Lawrence Livermore Laboratory Laser Fusion Program Semiannual Report, July- Dec 1972, UCRL-50021-72-2. 3. Lawrence Livermore Laboratory Laser Fusion Program Semiannual Report, July- Dec 1972, UCRL-50021-72-2.

4. McMahon J.M., Burns R.P., Debiux Т.Н. et al. "The Upgraded Pharos II Laser System", IEEE J. of Quantum Electronics, vol QE-17,9, pp.l629-1638 (1981). 4. McMahon J.M., Burns R.P., Debiux T.N. et al. "The Upgraded Pharos II Laser System", IEEE J. of Quantum Electronics, vol QE-17.9, pp.l629-1638 (1981).

5. Rizvi N., Redkiss D., Panson C. "Apodizer development", Rutherfford Appleton Lab., Ann. report, RAL-87-041, pp.113-114 (1987). 5. Rizvi N., Redkiss D., Panson C. "Apodizer development", Rutherfford Appleton Lab., Ann. report, RAL-87-041, pp. 113-114 (1987).

6. Лукишова С.Г., Красюк И.К., Пашинин П.П., Прохоров А.М. "Аподизация световых пучков как метод повышения яркости лазерных установок на неодимовом стекле". Труды ИОФАН, 7, 92-147 (1997). 6. Lukishova S.G., Krasyuk I.K., Pashinin P.P., Prokhorov A.M. "Apodization of light beams as a method of increasing the brightness of neodymium glass laser systems." Proceedings of IOFAN, 7, 92-147 (1997).

7. Мак А.А., Сомc Л.И., Фромзель В.А., Яншин В.Е. "Лазеры на неодимовом стекле". М., Наука (1990). 7. Mak A.A., Sooms L.I., Fromsel V.A., Yanshin V.E. "Neodymium glass lasers." M., Science (1990).

8. Van Wonterghen B. M., Murray J.R., Campbell J.H. "Performance of a prototype for a large-aperture multipass Nd:glass laser for inertial confinement fusion", Appl. Optics 36, 21, 4932-4953 (1997). 8. Van Wonterghen B. M., Murray J.R., Campbell J.H. "Performance of a prototype for a large-aperture multipass Nd: glass laser for inertial confinement fusion", Appl. Optics 36, 21, 4932-4953 (1997).

9. Шелюбский В.И. "Контроль однородности и состава стекла". М. "Стройиздат" (1990). 9. Shelyubsky V.I. "Control of the uniformity and composition of glass." M. "Stroyizdat" (1990).

10. "Физические величины". Справочник под ред. Григорьева Д.С. и др. М. "Энергоатомиздат" (1991). 10. "Physical quantities." Handbook Ed. Grigoryeva D.S. and others M. "Energoatomizdat" (1991).

11. K. Ueda et all. "Sub-picosecond pulse generation of KrF amplifier using acridine saturable absorber", Proc. of SPIE, vol. 1225, pp.95-106 (1990). 11. K. Ueda et all. "Sub-picosecond pulse generation of KrF amplifier using acridine saturable absorber", Proc. of SPIE, vol. 1225, pp. 95-106 (1990).

12. V.Mizin, Yu.Senatsky, S.Sobolev, L.Vinogradsky, I.Zubarev "Development of the Nonlinear Optical Element for light Beams Apodization and Large Aperture Laser Amplifiers Decoupling" Report submitted to the I-st International Conf. on Physics and Applications of High-Power Laser Ablation. 26-30 апреля 1998, Санта-Фе, США; Proc.of SPIE, vol.3343, рр.344- 351 (1998). 12. V. Mizin, Yu. Senatsky, S. Sobolev, L. Vinogradsky, I. Zubarev "Development of the Nonlinear Optical Element for light Beams Apodization and Large Aperture Laser Amplifiers Decoupling" Report submitted to the I-st International Conf. on Physics and Applications of High-Power Laser Ablation. April 26-30, 1998, Santa Fe, USA; Proc.of SPIE, vol. 343, pp. 344-351 (1998).

Claims (2)

1. Мягкая диафрагма для лазеров на основе кюветы с двумя окнами, герметично соединенными между собой с зазором, заполненным жидкостью, поглощающей излучение с длиной волны λ из лазерного пучка, падающего на кювету, причем толщина зазора нарастает от оси кюветы к ее периферии, отличающаяся тем, что окна кюветы соединены проставочным кольцом, содержащим вкладыш из оптически прозрачного материала с показателем преломления nв в виде выпукло-вогнутого мениска со сферическими или асферическими поверхностями, образующий с окнами кюветы два зазора, заполненных независимо через отверстия различными жидкостями, причем поглощающей лазерное излучение жидкостью с показателем преломления nж1 заполнен только зазор между одним из окон кюветы и выпуклой поверхностью мениска, а второй зазор заполнен прозрачной для лазерного излучения жидкостью с показателем преломления nж2, при этом рассогласования Δn1 и Δn2 показателей преломления вкладыша и жидкостей Δn1 = nв - nж1 и Δn2 = nв - nж2 выбираются такими, чтобы максимальный угол отклонения пучка излучения φ(a) на выходе из кюветы с диаметром 2a находился в пределах дифракционного угла для апертуры кюветы φ(a) < 1,22 / 2a.1. A soft diaphragm for lasers based on a cuvette with two windows hermetically connected to each other with a gap filled with a liquid absorbing radiation with a wavelength λ from a laser beam incident on the cuvette, the gap thickness increasing from the axis of the cuvette to its periphery, characterized in that the window of the cell are connected lantern ring containing insert from an optically transparent material having a refractive index n in a convexo-concave meniscus with spherical or aspherical surfaces, forming with two windows of the cuvette ZAZ pa filled independently via openings with various liquids, the absorbing laser light liquid with a refractive index n x1 filled with only a gap between one of the cell windows and the convex surface of the meniscus, and a second gap is filled with transparent to laser radiation a liquid having a refractive index n x2, wherein the mismatch Δn 1 and Δn 2 of the insert and the refractive indices Δn = n 1 in liquids - n x1 and Δn 2 = n a - n x2 are selected such that the maximum beam deflection angle φ (a) at the outlet of the cell diameter 2a n hodilsya within the diffraction angle for the aperture of the cell φ (a) <1,22 / 2a. 2. Мягкая диафрагма для лазеров на основе кюветы по п.1, отличающаяся тем, что поглощающей жидкостью в зазоре кюветы является фототропная среда. 2. A soft diaphragm for cell-based lasers according to claim 1, characterized in that the absorbing liquid in the gap of the cell is a phototropic medium.
RU98121607/28A 1998-11-26 1998-11-26 Soft diaphragm for lasers RU2157034C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU98121607/28A RU2157034C2 (en) 1998-11-26 1998-11-26 Soft diaphragm for lasers

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU98121607/28A RU2157034C2 (en) 1998-11-26 1998-11-26 Soft diaphragm for lasers

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU98121607A RU98121607A (en) 2000-08-27
RU2157034C2 true RU2157034C2 (en) 2000-09-27

Family

ID=20212840

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU98121607/28A RU2157034C2 (en) 1998-11-26 1998-11-26 Soft diaphragm for lasers

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2157034C2 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2229762C2 (en) * 2002-03-22 2004-05-27 Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН Laser beam apodizer
RU2433515C1 (en) * 2010-07-08 2011-11-10 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Московский государственный институт электронной техники (технический университет), (МИЭТ) Method of forming soft diaphragm

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Mizin V., Senatsky Yu., Sobolev S., Vinogradsky L., Zubarev I. Development of the Nonlinear Optical Element for Light Beams Apodization and Large Aperture Laser Amplifiers Decoupling. Report submited to the I-st International Conf. on Physics and Applications of High-Power Laser Ablation. - 26 - 30 апреля 1998, Санта-Фе, US; Proc.of SPIE, vol.3343, pp.344 - 351 (1998). Ueda K. et all. Sub-picosecond pulse generation of KrF amplifier using acridine saturable absorber. Proc.of SPIE, vol.1225, pp.95 - 106 (1990). Лукишова С.Г., Красюк И.К., Пашинин П.П., Прохоров А.М. Аподизация световых пучков как метод повышения яркости лазерных установок на неодимовом стекле. Труды ИОФАН. - 7, 92 - 147 (1997). *

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2229762C2 (en) * 2002-03-22 2004-05-27 Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН Laser beam apodizer
RU2433515C1 (en) * 2010-07-08 2011-11-10 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Московский государственный институт электронной техники (технический университет), (МИЭТ) Method of forming soft diaphragm

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP2965852B1 (en) Optical arrangement for laser beam shaping
CA2066000A1 (en) Apparatus for wavelength conversion of laser light
Tuccio et al. Design and operation of a tunable continuous dye laser
US10359687B2 (en) Method to generate terahertz radiation and terahertz radiation source
US4909609A (en) Nonlinear optical protection against frequency agile lasers
KR100379246B1 (en) Continuous Neutral Density Filter Capable of Controlling the Intensity Distribution of Light Beam According to the Thickness of Filter
Thio et al. Electrowetting-driven solar indoor lighting (e-SIL): an optofluidic approach towards sustainable buildings
US3999144A (en) Process for eliminating small-scale intensity fluctuations of laser beams
JP3798053B2 (en) Cavity for solid-state microlaser with optimized efficiency and microlaser using it
CN113383257B (en) Athermal laser optics made of plastic
US5018842A (en) Optical switch device
RU2157034C2 (en) Soft diaphragm for lasers
CN108521068A (en) Laser adjustment device with adjustable wavelength, pulse width and power
Feng et al. Binary sub-wavelength diffractive lenses with long focal depth and high transverse resolution
US3867017A (en) Apodised aperture assembly for high power lasers
US3990786A (en) Apodizer aperture for lasers
Vinogradsky et al. Development of the nonlinear optical element for light-beam apodization and large-aperture laser amplifier decoupling
JP4792279B2 (en) Solar pumped laser equipment
RU2163386C2 (en) Soft diaphragm for lasers
Senatsky et al. Development of the nonlinear optical element for light beams apodization and large aperture laser amplifier decoupling
Vinogradsky et al. Soft diaphragms for apodization of powerful laser beams
Da Costa et al. Geometrical interpretation of a laser-induced thermal lens
CN107024760B (en) A kind of transmission-type light splitting focusing system for VUV LASER
Habchi et al. A laser beam weakening the protective capacity of optical limiting devices
Bray et al. Using first principles in the specifying of optics for large high-power lasers (I): application to the Megajoule laser (LMJ)

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20041127