RU2229762C2 - Laser beam apodizer - Google Patents
Laser beam apodizer Download PDFInfo
- Publication number
- RU2229762C2 RU2229762C2 RU2002107227/28A RU2002107227A RU2229762C2 RU 2229762 C2 RU2229762 C2 RU 2229762C2 RU 2002107227/28 A RU2002107227/28 A RU 2002107227/28A RU 2002107227 A RU2002107227 A RU 2002107227A RU 2229762 C2 RU2229762 C2 RU 2229762C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- particles
- apodizer
- laser
- medium
- radiation
- Prior art date
Links
- 239000002245 particle Substances 0.000 claims abstract description 48
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 claims abstract description 32
- 230000005855 radiation Effects 0.000 claims description 32
- 230000007423 decrease Effects 0.000 claims description 3
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 abstract description 9
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 abstract description 9
- 239000003814 drug Substances 0.000 abstract description 2
- 238000011160 research Methods 0.000 abstract description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract 1
- 210000004027 cell Anatomy 0.000 description 28
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 11
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 10
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 8
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 7
- 230000033001 locomotion Effects 0.000 description 5
- 239000006096 absorbing agent Substances 0.000 description 4
- 230000003044 adaptive effect Effects 0.000 description 4
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 4
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 4
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 4
- 238000000034 method Methods 0.000 description 4
- 239000011859 microparticle Substances 0.000 description 4
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 4
- 238000000149 argon plasma sintering Methods 0.000 description 3
- 238000013461 design Methods 0.000 description 3
- 230000014509 gene expression Effects 0.000 description 3
- 150000003839 salts Chemical class 0.000 description 2
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 1
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 1
- 210000003850 cellular structure Anatomy 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 1
- 230000006378 damage Effects 0.000 description 1
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 1
- 238000006731 degradation reaction Methods 0.000 description 1
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 239000005338 frosted glass Substances 0.000 description 1
- 230000005484 gravity Effects 0.000 description 1
- 238000009499 grossing Methods 0.000 description 1
- 230000020169 heat generation Effects 0.000 description 1
- 238000007654 immersion Methods 0.000 description 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 239000004005 microsphere Substances 0.000 description 1
- 239000011860 particles by size Substances 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 238000005086 pumping Methods 0.000 description 1
- 230000008707 rearrangement Effects 0.000 description 1
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 1
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 1
- 239000012798 spherical particle Substances 0.000 description 1
- 230000008646 thermal stress Effects 0.000 description 1
- 238000002834 transmittance Methods 0.000 description 1
Landscapes
- Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
Abstract
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. Аподизаторы ("мягкие" диафрагмы) являются достаточно широко используемыми устройствами в оптическом тракте лазерных установок [1-14]. 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 аподизаторов повышает устойчивость мощных лазерных пучков по отношению к самофокусировке, выравнивает распределение интенсивности по сечению. Оно позволяет оптимизировать энергосъем в активной среде за счет повышения фактора заполнения излучением рабочей апертуры усилителя. В резонаторах лазеров аподизаторы используются для селекции поперечных мод и формирования профиля распределения интенсивности излучения [6, 8]. Наибольшее распространение получили так называемые “амплитудные” аподизаторы, представляющие собой, по существу, оптические фильтры с переменным по сечению пучка пропусканием. Известны также “фазовые” аподизаторы, в апертуру которых вводится фазовая неоднородность типа рассеивающей линзы /1, 10/, а также аподизаторы смешанного (амплитудно-фазового) типа /10/.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. Apodizers (“soft” diaphragms) are quite widely used devices in the optical path of laser systems [1-14]. They are used to smooth the spatial distribution of intensity in laser beams; their application allows one to suppress sharp bursts of intensity that arise in the aperture of beams when they are diffracted by conventional ("hard") diaphragms. Thus, the use of apodizers enhances the stability of high-power laser beams with respect to self-focusing and evens out the intensity distribution over the cross section. It allows you to optimize the energy removal in the active medium by increasing the factor of radiation filling the working aperture of the amplifier. In laser cavities, apodizers are used to select the transverse modes and form the radiation intensity distribution profile [6, 8]. The most widely used are the so-called “amplitude” apodizers, which are essentially optical filters with a variable transmission cross section. Also known are “phase” apodizers, into the aperture of which phase inhomogeneity of the type of scattering lens / 1, 10 /, as well as mixed (amplitude-phase) type apodizers / 10 / are introduced.
Несмотря на большое число предлагавшихся методов и технологий изготовления аподизаторов [1-14], реальное применение нашли лишь несколько типов амплитудных аподизаторов, отличающихся достаточно высокой стойкостью к лазерному излучению (лучевая нагрузка 1-3 Дж/см2) а также высокими значениями контраста (отношения коэффициентов пропускания излучения на оси и на периферии пучка, К=102-103) и “фактора заполнения” (интегрального по апертуре аподизатора пропускания, F≥ 70%). Среди них так называемые зубчатые диафрагмы из металла /11/, аподизаторы на основе частично матированных стеклянных пластинок /12, 13/, диафрагмы на основе многослойных диэлектрических покрытий на пластинках и некоторые другие /7, 8/.Despite the large number of proposed methods and manufacturing techniques of apodizers [1-14], only a few types of amplitude apodizers have real application, which are distinguished by a fairly high resistance to laser radiation (radiation load of 1-3 J / cm 2 ) and high contrast values (ratio radiation transmission coefficients on the axis and on the periphery of the beam, K = 10 2 -10 3 ) and the “filling factor” (integral over the aperture of the transmission apodizer, F≥ 70%). Among them are the so-called serrated metal diaphragms / 11 /, apodizers based on partially frosted glass plates / 12, 13 /, diaphragms based on multilayer dielectric coatings on plates, and some others / 7, 8 /.
Общей характеристикой амплитудных аподизаторов для световых пучков является наличие в их апертуре с характерным размером 2R, R≥ r≥ 0 (r - поперечная координата, R - радиус пучка) рассеивающей, отражающей или поглощающей излучение с длиной волны λ зоны шириной Δ r≤ R с гладким пространственным профилем пропускания Т(r), нарастающим от края аподизатора к его оси. При этом для пучка излучения с равномерным пространственным распределением фазы и интенсивности I(r)=I0=const, падающего на аподизатор, на расстоянии LF от него, 0<LF<Lmах ≈ 2Δ rR/λ , в области дифракции Френеля формируется пространственное распределение I(r)≈ I0Т(r) с гладким (мягким) профилем.A common characteristic of amplitude apodizers for light beams is the presence in their aperture with a characteristic size of 2R, R≥ r≥ 0 (r is the transverse coordinate, R is the beam radius) scattering, reflecting or absorbing radiation with a wavelength λ of a zone of width Δ r≤ R s smooth spatial transmission profile T (r), growing from the edge of the apodizer to its axis. Moreover, for a radiation beam with a uniform spatial distribution of phase and intensity I (r) = I 0 = const incident on the apodizer, at a distance L F from it, 0 <L F <L max ≈ 2Δ rR / λ, in the Fresnel diffraction region the spatial distribution I (r) ≈ I 0 T (r) with a smooth (soft) profile is formed.
Известными устройствами, предлагавшимися в качестве амплитудных аподизаторов для лазеров, являются кюветы с прозрачными для излучения окнами-линзами и с внутренней полостью (зазором) переменной толщины, заполненным рабочим веществом (иммерсионной жидкостью), поглощающим лазерное излучение (раствором соли или красителя) [2-6]. Известны кюветы-аподизаторы с вкладышами во внутренней полости, образующими зазоры переменной толщины, заполняемые поглощающей жидкостью [4-6]. Для того чтобы пучок с равномерным распределением интенсивности, падающий на кювету, на выходе из нее приобрел гладкое распределение интенсивности, описываемое супергауссовой функцией с показателем “жесткости” N и контрастом К, зависимость коэффициента пропускания диафрагмы от радиуса r, Т(r) должна описываться функцией вида /4/Known devices proposed as amplitude apodizers for lasers are cuvettes with radiation-transparent lens windows and an internal cavity (gap) of variable thickness filled with a working substance (immersion liquid) that absorbs laser radiation (salt or dye solution) [2- 6]. Known apodizer cuvettes with inserts in the internal cavity, forming gaps of variable thickness, filled with absorbing liquid [4-6]. In order for a beam with a uniform intensity distribution incident on the cuvette to obtain a smooth intensity distribution at the exit from it, described by a super-Gaussian function with the “hardness” index N and contrast K, the dependence of the transmittance of the diaphragm on the radius r, T (r) should be described by the function type / 4 /
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 /4/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 / 4 /
Здесь Т0=Т(o) - пропускание на оси диафрагмы, R - радиус диафрагмы, при котором Т(r) уменьшается в К раз, h0>0 - толщина слоя поглотителя на оси диафрагмы, k1 -коэффициент поглощения раствора.Here T 0 = T (o) is the transmission on the axis of the diaphragm, R is the radius of the diaphragm at which T (r) decreases by K times, h 0 > 0 is the thickness of the absorber layer on the axis of the diaphragm, and k 1 is the absorption coefficient of the solution.
Вместе с тем у всех рассматривавшихся кювет-аподизаторов [2-7], использующих профилированный поглощающий слой, имеются недостатки. К их числу относится, во-первых, неизбежная спектральная селективность подобных устройств, связанная с определенными ограниченными спектральными интервалами, которые занимают обычно полосы поглощения растворов солей и красителей. Еще одним существенным недостатком является неизбежное для этих устройств значительное тепловыделение в кювете при прохождении излучением слоя поглотителя, которое приводит к фазовым искажениям проходящего через кювету пучка. В лазерах, работающих в импульсно-периодическом или непрерывном режимах, термические искажения в оптических компонентах кюветы будут накапливаться, что приведет к деградации пространственно-угловых параметров лазерного пучка и может привести к разрушению компонент кюветы из-за возникающих термических напряжений. К числу недостатков рассмотренных аподизаторов следует отнести также сложность изготовления асферической оптики для формирования профилированного слоя поглощения в кюветах.At the same time, all considered cuvette apodizer [2–7] using a profiled absorbing layer have disadvantages. These include, firstly, the inevitable spectral selectivity of such devices, associated with certain limited spectral ranges, which usually occupy the absorption bands of salt and dye solutions. Another significant drawback is the inevitable significant heat release in the cell for these devices when radiation passes through the absorber layer, which leads to phase distortions of the beam passing through the cell. In lasers operating in pulsed-periodic or continuous modes, thermal distortions in the optical components of the cell will accumulate, which will lead to degradation of the spatial-angular parameters of the laser beam and can lead to destruction of the cell components due to thermal stresses. The disadvantages of the considered apodizers include the difficulty in manufacturing aspherical optics for the formation of a profiled absorption layer in cuvettes.
Известны аподизаторы на основе рассеивающих лазерное излучение центров, формируемых на поверхности [12, 13] или в объеме [6, 14] прозрачной для излучения диэлектрической (стеклянной) пластины с помощью матирования поверхности [12, 13] или обработки объема пластины лазерным излучением [6, 14]. Эти аподизаторы обладают лучевой стойкостью, сравнимой с оптической прочностью стекла, незначительными потерями на поглощение и могут применяться с лазерами в широком диапазоне длин волн от ближнего УФ до ИК участков спектра, в том числе с лазерами импульсно-периодического и непрерывного режимов работы.Known apodizers based on laser-scattering centers formed on the surface [12, 13] or in the volume [6, 14] of a dielectric (glass) plate transparent to radiation by matting the surface [12, 13] or processing the plate volume with laser radiation [6 , 14]. These apodizers have radiation resistance comparable to the optical strength of glass, insignificant absorption losses and can be used with lasers in a wide wavelength range from near UV to IR spectral regions, including pulsed-periodic and continuous-wave lasers.
Однако общим для всех рассмотренных типов аподизаторов недостатком является отсутствие возможности перестройки их функции пропускания. В то же время потребность в оптических элементах-аподизаторах с управляемыми (адаптивными) характеристиками имеется. Известны аподизированные адаптивные зеркала для перестройки модового состава и распределения интенсивности излучения в резонаторах лазеров и в области взаимодействия лазерного излучения с обрабатываемым материалом [15]. Адаптивная оптика необходима и для компенсации хорошо известных искажений, возникающих в активной среде лазера из-за тепловыделения при накачке [16]. Аподизаторы с адаптивным профилем пропускания могут быть использованы для решения этих задач. В работе /17/ наблюдалась перестройка профиля пропускания излучения в кювете с протоком коллоидного раствора поглощающих излучение частиц. Потери на светорассеяние в коллоидном растворе не превышали десятой доли процента /17, 18/. По существу, в работе /17/ для сепарации частиц по размерам и перестройки профиля пропускания был использован известный принцип гидроциклона /19/, который наряду с центрифугой /20/ широко применяется в технике для разделения различных смесей на основе жидких и газообразных сред. Отметим, однако, что при использовании для сепарации частиц кюветы типа /17/, работающей по принципу гидроциклона, неизбежны искажения профиля пропускания, связанные с асимметрией ввода и вывода потока в кювете и возникновением осевого противотока /19/. Заметим также, что при использовании в кювете движущихся частиц, поглощающих лазерное излучение, возможно создать лишь такой аподизатор, который будет не свободен от общих недостатков кювет с поглощающими средами: спектральной селективности и значительного тепловыделения в поглотителе.However, a common drawback for all types of apodizers considered is the lack of the ability to rearrange their transmission function. At the same time, there is a need for optical apodizer elements with controlled (adaptive) characteristics. Apodized adaptive mirrors are known for tuning the mode composition and radiation intensity distribution in laser cavities and in the field of interaction of laser radiation with the processed material [15]. Adaptive optics is also necessary to compensate for well-known distortions arising in the active medium of a laser due to heat generation during pumping [16]. Adaptive transmit profile apodizers can be used to solve these problems. In [17], a restructuring of the radiation transmission profile in a cell with a flow of a colloidal solution of radiation-absorbing particles was observed. Loss of light scattering in a colloidal solution did not exceed a tenth of a percent / 17, 18 /. Essentially, the well-known principle of hydrocyclone / 19 /, which, along with a centrifuge / 20 /, is widely used in the technique for separating various mixtures based on liquid and gaseous media, was used in / 17 / for separating particles by size and tuning the transmission profile. Note, however, that when using a cell type / 17 / operating on the principle of a hydrocyclone for particle separation, distortions in the transmission profile are inevitable due to the asymmetry of the input and output of the flow in the cell and the appearance of an axial countercurrent / 19 /. We also note that when using moving particles absorbing laser radiation in a cuvette, it is only possible to create an apodizer that is not free from the common drawbacks of cuvettes with absorbing media: spectral selectivity and significant heat release in the absorber.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению является устройство аподизатора на основе кюветы с мутной средой в соответствии с патентом РФ №2163386 [21]. Такая кювета заполняется прозрачной для лазерного излучения средой с показателем преломления μ , содержащей оптические микронеоднородности (малые частицы) с показателем преломления n≠ μ , с радиусами ρ ≥ λ , рассеивающие лазерное излучение. Сформированный за счет конструкции кюветы профилированный по толщине слой таких рассеивателей с максимальным количеством частиц на периферии кюветы обеспечивает сглаженный профиль пропускания аподизатора Т(r), спадающий от оси кюветы к ее периферии. Для расчета Т(r) в выражениях (1, 2) для амплитудного аподизатора вместо коэффициента поглощения k1 нужно использовать показатель ослабления γ =σ m0, где σ =2π ρ 2 - сечение рассеяния, а m0 - постоянная по объему концентрация рассеивающих частиц. Для кюветы, заполненной газом или жидкостью, содержащими тонкостенные стеклянные оболочки с характерным радиусом ρ =5 мкм при m0=8· 106 м-3, подсчет контраста аподизатора (отношения функций пропускания для слоев мутной среды на оси и на периферии толщиной соответственно 0,1 и 5 мм) дает значение К≅ 400 [21]. Для предотвращения оседания частиц вследствие силы тяжести предусматривается проток среды с микрочастицами через кювету [21]. Достоинствами аподизатора в соответствии с патентом [21] являются его малое собственное поглощение, высокая оптическая прочность и возможность использования с лазерами в широком спектральном диапазоне длин волн излучения. К недостаткам следует отнести сложность изготовления асферической оптики, необходимой для формирования профилированного рассеивающего слоя, а также неизменяемость профиля пропускания аподизатора. Действительно, при постоянной по объему концентрации рассеивателей и поддерживающем эту концентрацию протоке среды через кювету, распределение частиц по объему кюветы, а следовательно, и профиль пропускания аподизатора не изменяются.Closest to the claimed technical solution is the device of the apodizer based on a cell with a turbid medium in accordance with RF patent No. 2163386 [21]. Such a cuvette is filled with a medium transparent to laser radiation with a refractive index μ containing optical microinhomogeneities (small particles) with a refractive index n ≠ μ, with radii ρ ≥ λ, which scatter laser radiation. Formed due to the design of the cuvette, a thickness-profiled layer of such scatterers with a maximum number of particles on the periphery of the cuvette provides a smoothed transmission profile of the apodizer T (r), decreasing from the axis of the cuvette to its periphery. To calculate T (r) in expressions (1, 2) for the amplitude apodizer, instead of the absorption coefficient k 1, we need to use the attenuation coefficient γ = σ m 0 , where σ = 2π ρ 2 is the scattering cross section, and m 0 is the concentration constant of the scattering particles. For a cuvette filled with a gas or liquid containing thin-walled glass shells with a characteristic radius ρ = 5 μm at m 0 = 8 · 10 6 m -3 , the contrast of the apodizer is calculated (the transmission functions for the layers of a turbid medium on the axis and on the periphery are respectively 0 , 1 and 5 mm) gives a value of K≅ 400 [21]. To prevent particles from settling due to gravity, a medium flow with microparticles through a cuvette is provided [21]. The advantages of the apodizer in accordance with the patent [21] are its low intrinsic absorption, high optical strength and the ability to be used with lasers in a wide spectral range of radiation wavelengths. The disadvantages include the difficulty in manufacturing the aspherical optics necessary for the formation of a profiled scattering layer, as well as the immutability of the transmission profile of the apodizer. Indeed, when the concentration of scatterers is constant over the volume and the medium flows through the cell and maintains this concentration, the distribution of particles over the volume of the cell and, consequently, the transmission profile of the apodizer do not change.
Задачей данного изобретения является создание аподизатора для пучка лазерного излучения со сглаженной функцией пропускания, высокими значениями контраста и “фактора заполнения”, обеспечивающего аподизацию в широком спектральном диапазоне от ближней УФ до ИК области спектра, обладающего незначительным собственным поглощением проходящего излучения и допускающего при этом возможность перестройки функции пропускания. Изобретением предусматривается также упрощение конструкции аподизатора за счет исключения из конструкции сложных в изготовлении элементов асферической оптики.The objective of this invention is to provide an apodizer for a laser beam with a smoothed transmission function, high contrast and “fill factor”, providing apodization in a wide spectral range from near UV to IR region of the spectrum, which has a slight intrinsic absorption of transmitted radiation and allows for the possibility of tuning transmission functions. The invention also provides for the simplification of the design of the apodizer by eliminating aspheric optics elements that are difficult to manufacture from the design.
Заявляемое техническое решение представляет собой аподизатор для пучка лазерного излучения с длиной волны λ и поперечным размером 2R на основе прозрачной для излучения среды с показателем преломления μ , содержащей сформированный в апертуре пучка по поперечным координатам 0≤ r≤ R, 0≤ φ ≤ 2π и по направлению оси распространения пучка z слой, состоящий из упорядоченно движущихся в апертуре пучка, симметрично относительно его оси, рассеивающих излучение частиц j видов (j=1, 2) с концентрациями mj (r, φ , z), с показателями преломления nj ≠ μ и с радиусами ρ j, λ ≤ ρ j<<R, причем ослабление излучения слоем нарастает, а профиль пропускания слоя Т(r) спадает от оси пучка к его периферии.The claimed technical solution is an apodizer for a laser beam with a wavelength λ and a transverse dimension of 2R based on a radiation-transparent medium with a refractive index μ containing the beam formed in the aperture of the transverse coordinates 0≤ r≤ R, 0≤ φ ≤ 2π and the direction of the beam propagation axis z, the layer consisting of the beam moving orderly in the aperture is symmetrical about its axis, scattering radiation of particles of j species (j = 1, 2) with concentrations m j (r, φ, z), with refractive indices n j ≠ μ and with radius ρ j , λ ≤ ρ j << R, and the attenuation of radiation by the layer increases, and the transmission profile of the layer T (r) decreases from the beam axis to its periphery.
Предлагаемый аподизатор может быть сформирован в неограниченном стенками потоке газа или жидкости, в который вводятся упорядоченно движущиеся в апертуре пучка микрочастицы, создающие светорассеивающий слой с переменным по сечению лазерного пучка пропусканием. Заявляемое техническое решение может быть реализовано и на основе кювет, заполненных средой (газом, жидкостью), содержащей движущиеся микрочастицы, которые формируют светорассеивающий слой. Кювета может содержать профилированный по толщине слой среды с движущимися частицами. Может быть также реализован аподизатор на основе кюветы с плоскопараллельными окнами с постоянным по толщине слоем среды. В этом случае профиль пропускания может формироваться за счет переменной по сечению кюветы концентрации движущихся рассеивающих частиц. При изменении параметров движения рассеивающих частиц или их состава может производиться перестройка профиля пропускания аподизатора.The proposed apodizer can be formed in a gas or liquid flow unlimited by the walls, into which microparticles orderly moving in the aperture of the beam are introduced, creating a light-scattering layer with a variable transmission cross section of the laser beam. The claimed technical solution can also be implemented on the basis of cuvettes filled with medium (gas, liquid) containing moving microparticles that form a light-scattering layer. The cuvette may contain a thickness-profiled layer of a medium with moving particles. An apodizer based on a cell with plane-parallel windows with a constant thickness layer of the medium can also be implemented. In this case, the transmission profile can be formed due to the variable concentration of moving scattering particles over the cross section of the cell. When changing the motion parameters of scattering particles or their composition, the transmission profile of the apodizer can be rearranged.
Для пояснения сущности заявляемого технического решения и его количественной характеристики рассмотрим примеры аподизаторов с перестраиваемым профилем пропускания на основе кювет с движущимися, рассеивающими лазерное излучение частицами. Для описания движения частиц в кювете введем следующие обозначения:To clarify the essence of the claimed technical solution and its quantitative characteristics, we consider examples of apodizers with a tunable transmission profile based on cuvettes with moving particles scattering laser radiation. To describe the motion of particles in a cell, we introduce the following notation:
R - радиус кюветы (пучка);R is the radius of the cell (beam);
r - “текущий” радиус;r is the “current” radius;
φ - азимутальный угол;φ is the azimuthal angle;
L - длина кюветы;L is the length of the cell;
j - индекс сорта частиц, j=1, 2...j is the particle sort index, j = 1, 2 ...
ρ j - радиус частиц j-го сорта;ρ j is the radius of particles of the j-th grade;
dj - плотность частиц j-го сорта;d j is the density of particles of the j-th grade;
Мj - масса частицы;M j is the mass of the particle;
d0 - плотность среды;d 0 is the density of the medium;
η - коэффициент вязкости среды;η is the viscosity coefficient of the medium;
mj-концентрация частиц j-го сорта;m j is the concentration of particles of the jth grade;
ω =dφ /dt - угловая скорость вращения кюветы;ω = dφ / dt is the angular velocity of rotation of the cell;
Т - температура среды в кювете;T is the temperature of the medium in the cell;
k - постоянная Больцмана.k is the Boltzmann constant.
Возможны различные технические решения, позволяющие организовать упорядоченное движение частиц так, чтобы сформировать сглаженную функцию пропускания в кювете. Можно несколькими способами вводить частицы в среду, организуя их симметричное относительно оси пучка движение в кювете по различным траекториям. Например, для кюветы, заполненной потоком газа, движущимся симметрично вдоль оси пучка z со скоростью vz, сглаживание профиля пропускания можно получить при симметричном по φ введении частиц по нормали к оси z и к стенке кюветы со скоростями vr. Можно использовать при этом известную зависимость силы сопротивления среды перемещению сферических частиц, Fj от радиуса частиц ρ j (формула Стокса): Fj=6π η ρ jvr. Как показывает расчет, необходимые для формирования гладкого профиля пропускания распределения частиц по радиусу можно получить в движущемся вдоль z потоке среды при введении частиц различного радиуса с одинаковыми по величине начальными скоростями vr. Перестраивать такой профиль возможно при изменениях скоростей ввода и состава частиц.Various technical solutions are possible to organize the ordered movement of particles so as to form a smoothed transmission function in the cell. It is possible to introduce particles into the medium in several ways, organizing their movement symmetrical with respect to the beam axis in the cell along various trajectories. For example, for a cuvette filled with a gas flow moving symmetrically along the beam axis z with velocity v z , a smoothing of the transmission profile can be obtained by introducing particles symmetrical in φ along the normal to the z axis and to the wall of the cell with velocities v r . You can use the well-known dependence of the resistance of the medium to the movement of spherical particles, F j on the particle radius ρ j (Stokes formula): F j = 6π η ρ j v r . As the calculation shows, necessary for the formation of a smooth transmission profile of the particle radius distribution can be obtained in a medium flow moving along z with the introduction of particles of different radius with the same initial velocity v r . It is possible to rebuild such a profile with changes in input rates and particle composition.
Ниже рассматривается пример, где для формирования профиля используется центробежная сила, воздействующая на частицы. Симметричный относительно оси пучка рассеивающий слой может быть создан за счет вращения кюветы как целого вместе с рабочей средой вокруг оси z.Below we consider an example where a centrifugal force acting on particles is used to form a profile. A scattering layer symmetrical with respect to the axis of the beam can be created by rotating the cuvette as a whole together with the working medium around the z axis.
Пример 1. Кювета заполнена прозрачной средой с рассеивающими лазерное излучение частицами и вращается вокруг оси z с угловой скоростью ω . Будем считать, что частицы-микросферы с радиусом ρ j, плотностью dj, массой Мj “взвешены” в среде с плотностью d0, причем dj>d0. Для частиц небольших размеров ρ j ≥ λ , где λ ≅ 1μ , находящихся в поле центробежных сил при тепловом равновесии с окружающей средой, справедливо больцмановское распределение концентрации частиц по радиусу [22], которое с учетом разности плотностей частиц и среды Δ dj=dj-d0 можно записать в видеExample 1. The cell is filled with a transparent medium with particles scattering laser radiation and rotates around the z axis with an angular velocity ω. We assume that the particles are microspheres with radius ρ j , density d j , and mass M j “suspended” in a medium with density d 0 , and d j > d 0 . For particles of small sizes ρ j ≥ λ, where λ ≅ 1μ, located in the field of centrifugal forces at thermal equilibrium with the environment, the Boltzmann distribution of particle concentration over the radius is valid [22], which, taking into account the difference in particle densities and medium Δ d j = d j -d 0 can be written as
где Аj=2π /3kТ·Δdjρ
При этом выражение для профиля пропускания кюветы длиной L и заполненной частицами сорта j принимает видThe expression for the transmission profile of the cell of length L and filled with particles of sort j takes the form
где mj(r) определяется выражением (3)where m j (r) is determined by the expression (3)
На чертеже и в таблице представлены расчетные данные для вращающейся с угловой скоростью ω кюветы-аподизатора. Кривые (1-5) пропускания кюветы Т(r) получены при следующих фиксированных значениях параметров: Т=300К, L=5 см, R=5 см, Δ d=10-4 г/см3 и переменных значениях радиусов частиц и угловой скорости вращения кюветы. Из сопоставления на чертеже кривых 1-3 можно увидеть, как происходит перестройка профиля пропускания кюветы, заполненной частицами одного сорта (ρ 1=5 мкм, m
Оценки показывают, что для рассмотренных примеров можно пренебречь влиянием на форму профиля аподизатора гравитационного осаждения частиц, а также толщиной слоя частиц, оказавшихся на стенках кюветы.Estimates show that for the considered examples, one can neglect the influence on the shape of the apodizer profile of gravitational particle deposition, as well as the thickness of the layer of particles that are on the walls of the cell.
Таким образом, приведенные примеры показывают возможность создания на основе кювет с движущимися рассеивающими излучение микрочастицами аподизаторов с перестраиваемой функцией пропускания, высокими значениями контраста и “фактора заполнения” апертуры лазерного пучка. Использование в качестве рабочей среды прозрачных для лазерного излучения жидкостей и газов, а также прозрачных рассевающих частиц создает возможность применения аподизаторов в широком спектральном диапазоне от УФ до ИК областей спектра. Малое собственное поглощение излучения повышает стойкость аподизаторов к лучевым нагрузкам и обеспечивает возможность использования их с лазерами импульсно-периодического и непрерывного режимов работы. Одним из возможных интересных применений аподизатора является формирование его непосредственно в усиливающей излучение активной среде лазерной установки. Такая реализация перестраиваемого аподизатора может представлять интерес, например, для оптического тракта мощных технологических газовых лазеров.Thus, the above examples show the possibility of creating apodizers with a tunable transmission function, high contrast values and the “filling factor” of the laser beam aperture based on cuvettes with moving radiation-scattering microparticles. The use of liquids and gases transparent to laser radiation, as well as transparent scattering particles, as a working medium makes it possible to use apodizers in a wide spectral range from UV to IR spectral regions. Small intrinsic absorption of radiation increases the resistance of the apodizers to radiation loads and makes it possible to use them with lasers of pulse-periodic and continuous operation. One of the possible interesting applications of the apodizer is its formation directly in the laser-amplifying active medium of the laser. Such an implementation of a tunable apodizer may be of interest, for example, for the optical path of high-power technological gas lasers.
ЛитератураLiterature
1. Baranova N.B., Bykovsky N.E., Zel’dovich B.Ya., Senatsky Yu.V. "Diffraction and selffocusing of the radiation in a high-power light pulse amplifier", Kvantovaya Elektronika (Moscow), v.1, № 11, p.2435-2458 (1974).1. Baranova N.B., Bykovsky N.E., Zel’dovich B.Ya., Senatsky Yu.V. "Diffraction and selffocusing of the radiation in a high-power light pulse amplifier", Kvantovaya Elektronika (Moscow), v. 1, No. 11, p. 2435-2458 (1974).
2. Costich V.L. and Johnson B.C. "Apertures to shape high-power beams". Laser Focus, September 1974, pp.43-46.2. Costich V.L. and Johnson B.C. "Apertures to shape high-power beams." Laser Focus, September 1974, pp. 43-46.
3. Nolen R.L.,Jr., Siebert L.D. "High power laser apodizer", US Patent №4017164 (1977).3. Nolen R.L., Jr., Siebert L.D. "High power laser apodizer", US Patent No. 4017164 (1977).
4. Vinogradsky L.M., Sobolev S.K., Senatsky Yu.V. et al. "Development of the nonlinear optical element for light beam apodization and large aperture laser amplifier decoupling", Preprint FIAN, Moscow (1998); Патент РФ № 2177666 (1998).4. Vinogradsky L.M., Sobolev S.K., Senatsky Yu.V. et al. "Development of the nonlinear optical element for light beam apodization and large aperture laser amplifier decoupling", Preprint FIAN, Moscow (1998); RF patent No. 2177666 (1998).
5. Сенатский Ю.В., Виноградский Л.М. и др. "Мягкая диафрагма для лазеров", Патент РФ №2157034 (1998).5. Senate Yu.V., Vinogradsky L.M. et al. "Soft diaphragm for lasers", RF Patent No. 2157034 (1998).
6. Vinogradsky L.M., Senatsky Yu.V., Ueda K. et al. "Soft diaphragms for apodization of powerful laser beams", Proc.SPIE, vol.3889, pp.849-860 (2000).6. Vinogradsky L.M., Senatsky Yu.V., Ueda K. et al. "Soft diaphragms for apodization of powerful laser beams", Proc.SPIE, vol. 3889, pp. 849-860 (2000).
7. Lukishova S.G., Krasiuk I.K., Pashinin P.P.et.al. "Light beam apodization as the method for increased brightness of a Nd-glass laser system", Trudy IOFAN, №7, p.92-147 (1987).7. Lukishova S.G., Krasiuk I.K., Pashinin P.P.et.al. "Light beam apodization as the method for increased brightness of a Nd-glass laser system", Trudy IOFAN, No. 7, p. 92-147 (1987).
8. Mak A.A. et al. "Nd-glass lasers", Moscow, "Nauka" Publ.House, 1990.8. Mak A.A. et al. "Nd-glass lasers", Moscow, "Nauka" Publ.House, 1990.
9. Потапова Н.И., Цветков А.Д. “Дифракция Френеля на стеклянных аподизирующих диафрагмах с супергауссовой функцией пропускания” Квант. электроника 15, 10, 2059 (1988).9. Potapova N.I., Tsvetkov A.D. “Fresnel diffraction on glass apodizing diaphragms with super-Gaussian transmission function” Quantum. Electronics 15, 10, 2059 (1988).
10. Потапова Н.И., Цветков А.Д. “Аподизация лазерного излучения фазовыми диафрагмами” Квант. электроника 19, 5, 460-464 (1992).10. Potapova N.I., Tsvetkov A.D. “Apodization of laser radiation by phase diaphragms” Quantum. Electronics 19, 5, 460-464 (1992).
11. Van Worterghen B.M. et al. "Performance of a prototype for a large-aperture multipass Nd:glass laser for inertial confinement fusion", Appl.Opt. 36, №21, p.4932-4953 (1997).11. Van Worterghen B.M. et al. "Performance of a prototype for a large-aperture multipass Nd: glass laser for inertial confinement fusion", Appl.Opt. 36, No. 21, p. 4932-4953 (1997).
12. Summers M.A., Hagen W.F., Boyd R.D. "Scattering apodizer for laser beams", US Patent №4537 475 (1985).12. Summers M.A., Hagen W.F., Boyd R. D. "Scattering apodizer for laser beams", US Patent No. 4,537,475 (1985).
13. Rizvi N., Rodkiss D., Panson C. "Apodizer development", Rutherford Appleton Lab., Ann.rep., -87-041, p.113-114 (1987).13. Rizvi N., Rodkiss D., Panson C. "Apodizer development", Rutherford Appleton Lab., Ann.rep., -87-041, p. 113-114 (1987).
14. Zubarev I.G., Pyatakhin M.V., Senatsky Yu.V. "Method for the soft diaphragm formation", Patent of the Russian Federation, №2140695 (1998).14. Zubarev I.G., Pyatakhin M.V., Senatsky Yu.V. "Method for the soft diaphragm formation", Patent of the Russian Federation, No. 2140695 (1998).
15. Zavalov Yu.N., Kudryashov A.V. et al. "Formation of a specified intensity distribution of the radiation from an industrial cw СО2 laser", Kvant.Electr., v.29, (4), p.339-340 (1999).15. Zavalov Yu.N., Kudryashov AV et al. "Formation of a specified intensity distribution of the radiation from an industrial cw CO 2 laser", Kvant.Electr., V.29, (4), p.339-340 (1999).
16. Вдовин Г.В., Четкий С.А. “Активная коррекция тепловой линзы твердотельного лазера”. “Квантовая электроника” 20, 2, 167-171 (1993).16. Vdovin G.V., Clear A.A. “Active correction of the thermal lens of a solid-state laser.” “Quantum Electronics” 20, 2, 167-171 (1993).
17. Kolerov A.N., Epikhina G.E. "The dispersive two-phase media for laser radiation parameter control", Kvantovaya Elektronika, v.l6, № 9, p.l841-1843 (1989).17. Kolerov A.N., Epikhina G.E. "The dispersive two-phase media for laser radiation parameter control", Kvantovaya Elektronika, v.l6, No. 9, p.l841-1843 (1989).
18. Kolerov A.N. "Laser with a colloid solution active medium", Kvantovaya Elektronika, v.l6, № 5, p.955-957 (1989).18. Kolerov A.N. "Laser with a colloid solution active medium", Kvantovaya Elektronika, v.l6, No. 5, p.955-957 (1989).
19. Терновский И.Г., Кутепов А.М. “Гидроциклонирование”. - М.: Наука. (1994).19. Ternovsky I.G., Kutepov A.M. “Hydrocyclone”. - M .: Science. (1994).
20. Шкоропад Д.Е. "Центрифуги и сепараторы для химических производств”. - М.: Химия (1987).20. Shkoropad D.E. “Centrifuges and separators for chemical production.” - M.: Chemistry (1987).
21. Сенатский Ю.В. "Мягкая диафрагма для лазеров" Патент РФ № 2163386.21. Senate Yu.V. "Soft diaphragm for lasers" RF patent No. 2163386.
22. Ландау Л.Д. и Лифшиц Е.М. "Статистическая физика". - М.: Наука, 1964.22. Landau L.D. and Lifshits E.M. "Statistical physics." - M.: Science, 1964.
Claims (4)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2002107227/28A RU2229762C2 (en) | 2002-03-22 | 2002-03-22 | Laser beam apodizer |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2002107227/28A RU2229762C2 (en) | 2002-03-22 | 2002-03-22 | Laser beam apodizer |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2002107227A RU2002107227A (en) | 2003-11-27 |
| RU2229762C2 true RU2229762C2 (en) | 2004-05-27 |
Family
ID=32678418
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2002107227/28A RU2229762C2 (en) | 2002-03-22 | 2002-03-22 | Laser beam apodizer |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2229762C2 (en) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| 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 |
| RU2484509C1 (en) * | 2011-11-16 | 2013-06-10 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт прикладной физики Российской академии наук (ИПФ РАН) | Polarisation apodising diaphragm |
| RU2587694C1 (en) * | 2015-04-06 | 2016-06-20 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физический институт им. П.Н. Лебедева Российской академии наук (ФИАН) | Apodizator of laser beam |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US3990786A (en) * | 1974-10-09 | 1976-11-09 | Kms Fusion, Inc. | Apodizer aperture for lasers |
| US4017164A (en) * | 1974-10-09 | 1977-04-12 | Kms Fusion, Inc. | High power laser apodizer |
| US4537475A (en) * | 1983-04-01 | 1985-08-27 | The United States Of America As Represented By The United States Department Of Energy | Scattering apodizer for laser beams |
| RU2157034C2 (en) * | 1998-11-26 | 2000-09-27 | Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН | Soft diaphragm for lasers |
| RU2163386C2 (en) * | 1999-03-19 | 2001-02-20 | Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН | Soft diaphragm for lasers |
-
2002
- 2002-03-22 RU RU2002107227/28A patent/RU2229762C2/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US3990786A (en) * | 1974-10-09 | 1976-11-09 | Kms Fusion, Inc. | Apodizer aperture for lasers |
| US4017164A (en) * | 1974-10-09 | 1977-04-12 | Kms Fusion, Inc. | High power laser apodizer |
| US4537475A (en) * | 1983-04-01 | 1985-08-27 | The United States Of America As Represented By The United States Department Of Energy | Scattering apodizer for laser beams |
| RU2157034C2 (en) * | 1998-11-26 | 2000-09-27 | Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН | Soft diaphragm for lasers |
| RU2163386C2 (en) * | 1999-03-19 | 2001-02-20 | Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН | Soft diaphragm for lasers |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| КОЛЕРОВ А.Н., ЕПИХИНА Г.Е. Использование дисперсных двухфазных сред для управления характеристиками лазерного излучения. /Квантовая электроника, т. 16, №9, 1989, с.1841-1843, фиг.3. * |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| 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 |
| RU2484509C1 (en) * | 2011-11-16 | 2013-06-10 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт прикладной физики Российской академии наук (ИПФ РАН) | Polarisation apodising diaphragm |
| RU2587694C1 (en) * | 2015-04-06 | 2016-06-20 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физический институт им. П.Н. Лебедева Российской академии наук (ФИАН) | Apodizator of laser beam |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US7968839B2 (en) | Miniaturized optical tweezers based on high-NA micro-mirrors | |
| Turpin et al. | Conical refraction: fundamentals and applications | |
| Rojas-Ochoa et al. | Photonic properties of strongly correlated colloidal liquids | |
| US7574076B2 (en) | Apparatus for optically-based sorting within liquid core waveguides | |
| Erkkila et al. | Diffracted fields in the focal volume of a converging wave | |
| RU2229762C2 (en) | Laser beam apodizer | |
| Barulin et al. | Thermo‐Optical Bistability Enabled by Bound States in The Continuum in Silicon Metasurfaces | |
| US20030136131A1 (en) | Cooling by resonator-induced coherent scattering of radiation | |
| Suzuki | Resolution limit of refractive lens and Fresnel lens in x-ray region | |
| JP5712335B2 (en) | Method and structure for coupling light into a waveguide | |
| Cicek et al. | Acoustophoretic separation of airborne millimeter-size particles by a Fresnel lens | |
| US10012843B2 (en) | Compact and effective beam absorber for frequency converted laser | |
| JP2004310008A (en) | Optical filter and optical equipment | |
| RU2163386C2 (en) | Soft diaphragm for lasers | |
| Meisels et al. | Negative refraction and flat-lens focusing in a 2D square-lattice photonic crystal at microwave and millimeter wave frequencies | |
| Asher et al. | Optically nonlinear crystalline colloidal self assembled submicron periodic structures for optical limiters | |
| US4023117A (en) | Stimulated raman scattering resonator | |
| Gourley et al. | Surface-emitting semiconductor laser spectroscopy and microscopy for characterizing normal and sickled red blood cells | |
| Davenport et al. | Formation of colloidal chains and driven clusters with optical binding | |
| Bagdasarov et al. | Investigation of the characteristics of formation of theangular distribution of laser radiation in resonators withretroreflecting mirrors | |
| RU2157034C2 (en) | Soft diaphragm for lasers | |
| JPH0611665A (en) | Optical system for laser apparatus | |
| Naik et al. | Plasmonic Random Lasers | |
| Kim et al. | Design of Dynamically Focus-switchable Fresnel Zone Plates Based on Plasmonic Phase-change VO 2 Metafilm Absorbers | |
| RU2265870C1 (en) | Mirror |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20060323 |