Лазерный мир

Ю.Калинин, Е.Крехова, А.Поздняков // Журнал Фотоника, 2/2016, с: 32-44

Проблема разработки мощных лазеров на неодимовом стекле для исследований управляемого термоядерного синтеза пока остается актуальной. В статье представлены лазерная установка для контроля лучевой прочности и результаты испытаний лучевой прочности образцов-свидетелей лазерного фосфатного стекла, используемого в каскадах усилителей мощных лазерных систем. Установка формирует импульсы излучения длительностью 3–5 нс с плотностью энергии на мишени 3–60 Дж/см2.

The problem of developing neodymium-doped glass high-power lasers used to study thermonuclear fusion, is still of current interest. A laser set to provide beam resistance monitoring, and beam resistance test results for witness samples of laser
phosphate glass used in high-power laser systems amplifier stages are presented. The set generates 3 to 5 ns radiation pulses featuring target energy density 3 to 60 J/cm2.

Параллельно с расширением использования лазеров в самых различных областях индустрии, передачи информации, медицины и науки постоянно идет разработка новых типов лазеров с улучшенными характеристиками. Хорошо известны лазеры с ультракороткими импульсами, длительность которых не превышает нескольких наносекунд. Однако их широкое применение затруднено из-за низкого рабочего ресурса отдельных оптических элементов лазера: недостаточно высокая лучевая прочность активных элементов, зеркал, выходных окон и других оптических элементов.

Поэтому одна из основных задач при создании лазерных систем с наносекундной длительностью излучения – повышение эффективности и надежности их работы, которая напрямую зависит от работы отдельных элементов.

Представляем результаты исследований лучевой прочности элементов на установке, созданной на основе твердотельного лазера с наносекундной длительностью импульсов излучения. На примере проведения испытаний лазерного фосфатного стекла, легированного неодимом, показана возможность использования системы для контроля лучевой прочности оптических материалов и покрытий. Лазерное фосфатное стекло используется для производства крупногабаритных дисковых активных элементов, работающих в составе мощных лазерных установок. Новая лазерная установка построена по стандартной схеме, принятой для установок, действующих в наносекундном диапазоне длительностей импульса. Особенность разработки – возможность при использовании генератора малой мощности усилить энергию излучения (коэффициент усиления не менее 10 000) и сформировать на испытуемом образце эквивалентную зону воздействия с равномерным распределением плотности излучения в пятне с достаточно большими размерами – 5 Ч 5 мм.

Принципы построения установки

Интерес к созданию мощных лазеров с длительностью импульсов 1–3 нс и с использованием лазерного фосфатного стекла в качестве активной среды не ослабевает со второй половины прошлого века [1–4]. Развитие направления лазерной техники с наносекундной длительностью импульсного излучения невозможно без исследований стойкости стекол к лазерному излучению.

В состав базовой установки для определения лучевой прочности любого оптического материала входит источник излучения (лазер), средство измерения энергии (мощности) в лазерном пучке и блок формирования эквивалентной площади воздействия на испытуемом образце. Эквивалентная площадь воздействия (Sэкв) – это площадь лазерного пятна с равномерным распределением плотности энергии, равным максимальной плотности энергии в реальном пятне и содержащем такую же энергию. Как правило, при Гауссовом распределении Sэкв. измеряют по уровню 0,5 максимальной интенсивности излучения. Эквивалентная площадь воздействия может быть определена из пространственного распределения энергии излучения на испытуемом образце.

Самый простой способ ее определения – выжигание материала, например фотобумаги, и последующее измерение диаметра пятна полученного ожога при последовательном ослаблении излучения набором светофильтров до порога образования прогара. Построив соответствующую кривую, можно определить диаметр пятна на уровне 0,5 от максимума интенсивности. Более совершенным является способ засветки фотопленки с последующим ее фотометрированием. Измерители энергии (мощности) излучения строятся на различных физических принципах – калориметрических, фотоэлектрических и др. Современные приборы для измерения мощности лазеров могут быть совместимы со всеми типами датчиков: термоэлектрическими, пироэлектрическими и фотодиодными.

По такому принципу была создана базовая установка (рис.1а) для исследования порога разрушения покрытий и оптических сред под воздействием лазерного импульса наносекундной длительности. В составе установки: задающий генератор, предусилитель, схемы формирования временного и пространственного профилей лазерного импульса и четырехкаскадный усилитель с выходной апертурой 45 мм [5]. Из импульса задающего генератора длительностью 50 нс с помощью затвора Поккельса вырезали импульс длительностью 1 нс. Для исключения амплитудных и фазовых искажений волнового фронта пучка из выходного пучка диаметром 37 мм диафрагмой выделяли центральную зону диаметром 2,5–15 мм. Далее после ослабления излучения его фокусировали на исследуемом объекте с помощью длиннофокусной линзы. Диаметр пятна при этом составлял около 1 мм, типичное распределение получаемой плотности энергии в сечении пучка, образуемом в плоскости образца, приведено на рис. 1б.

За порог разрушения образца Qп принимали плотность энергии, равной среднему значению между максимальной плотностью энергии Qmaх, при которой не наблюдалось разрушение поверхности, и минимальной плотностью энергии Qmin, при которой повреждения еще могли существовать: Qп = (Qmaх + Qmin) / 2. Учитывая, что в этом методе пороговая интенсивность зависит от размера пятна, можно видеть, что формирование небольшого Sэкв является типичным недостатком данного метода. Кроме того, выбранная методика предполагала небольшую статистику измерений на каждом образце, что не позволяло оценить истинное значение порога разрушения, особенно учитывая случайный характер распределения примесей и дефектов в образце.

С годами принцип построения установок практически оставался неизменным: задающий генератор, система вырезания импульса на основе затвора Поккельса, несколько каскадов усиления и система пространственных фильтров. И хотя при выборе схемы учитывалась зависимость порога разрушения исследуемого образца от размера пятна, диаметр пятна облучения образца оставался небольшим и не превышал 1–2 мм. Но, по мере получения новых результатов исследования о зависимости лучевой прочности от размера пятна воздействия [6] и создания более эффективных систем регистрации энергии излучения, формы импульса генерации и регистрации пространственного распределения излучения в фокальном пятне (использовались более точные модели калориметров, фотоприемников и осциллографов, устанавливались ПЗС-камеры), системы измерений совершенствовались (рис.2) [7].

Параллельно с этим, совершенствовались также методики проведения измерения. В работе [8] представлена методика, позволяющая не только оценить пороговую плотность энергии, но и учесть статистический характер процесса разрушения поверхности. Рис.3 иллюстрирует вариант методики, учитывающий статистический (вероятностный подход). Учитывая, что закон распределения энергии ε(r) в пятне облучения и уровень плотности энергии ε(rm) известны, считается, что граница по контуру наиболее удаленных точек разрушений соответствует пороговому уровню плотности энергии для данного образца. Круговой контур, показанный в верхней части рис.3, демонстрирует зону разрушений, определенную по наиболее удаленным точкам. Статистический подход к обработке результатов измерений оказывается весьма правильным.

Позже появилась экспресс-методика определения лучевой прочности. Она заключается в том, что образец облучается не одним пучком, а матрицей пучков с гауссовым распределением интенсивности [7]. Оптическая схема формирования матрицы, реализующая эту методику, представлена на рис.4. Лазерный пучок дифракционного качества апертурой ∅24 мм падает на матрицу диафрагм. Диаметр матрицы 19 мм, диаметр диафрагм 3 мм, количество диафрагм 19. Матрица диафрагм располагается в фокальной плоскости линзы Л1 (f  =  200 см), соответственно изображение матрицы перестраивается на бесконечность. С другой стороны линзы в фокусе располагается диафрагма ∅2 мм, осуществляющая угловую селекцию излучения. Диафрагма находится в вакуумной кювете. В 1 метре от селектирующей диафрагмы располагается линза Л2 (f  =  50 см). Так как первая линза перестраивает изображение матрицы диафрагм на бесконечность, то линза Л2 из бесконечности перестраивает изображение в фокальную плоскость. При этом изображение формируется в фокусе в независимости от расстояния между линзами. Сформированное таким образом излучение падает на образец. Диаметр матрицы гауссовых пучков на образце в данной схеме равен ≈5 мм, эффективный диаметр пучка составляет 0,5 мм. Типичное распределение интенсивности лазерного излучения на образце приведено на рис. 5.

Одна из последних оригинальных методик, разработанная для определения порогов лазерного разрушения диэлектрических покрытий, нанесенных на подложки, позволила определить статистику оптического пробоя в режиме воздействия одиночным лазерным импульсом [9]. Однако диаметр пятна облучения в этой работе составил всего 29 мкм.

Поиски методов увеличения Sэкв также привели к необходимости использовать растровую систему призматического типа для фокусировки излучения. В частности, в работе [6] использована растровая система, обеспечивающая однородность накачки излучения и формирование равномерно освещенного пятна достаточной площади (до 120 мм2). В качестве источника излучения использовался неодимовый лазер с длительностью импульса 10–7 с и максимальной энергией излучения 200 Дж. Помимо увеличения размера Sэкв с увеличением длительности воздействующего импульсного излучения, также будет возрастать лучевая прочность образцов стекла [10].

Проблема разработки мощных лазеров на неодимовом стекле для исследований управляемого термоядерного синтеза пока остается актуальной. При разработке концепции создания мощной лазерной установки ВНИИЭФ создан модуль, представляющий собой 4-канальный лазер на неодимовом фосфатном стекле с полной выходной энергией излучения на длине волны  1053 нм до 12 кДж при длительности импульса генерации τ ≈ 3–5 нс [4]. При этом предполагается, что максимальная лучевая нагрузка на активные элементы четырехпроходного силового усилителя составит приблизительно 10 Дж/см2, а запас по прочности должен быть выше в 2–3 раза. Таким образом, активные элементы должны выдерживать плотность собственного излучения как минимум в 20 Дж/см2. К тому же, предполагается, что при нагрузке 10 Дж/см2 запас прочности обеспечит необходимое для данной системы количество импульсов облучения.

До настоящего времени установок с вышеуказанными характеристиками и с Sэкв, удовлетворяющим задачам исследования, не существовало. Поэтому цель настоящей работы – реализовать испытательный стенд для проведения испытаний на лучевую прочность прежде всего образцов-свидетелей лазерного фосфатного стекла, используемого в каскадах усилителей мощных лазерных систем.

Проведение испытаний материалов на лучевую прочность

Основное оборудование разработанной лазерной установки включает в себя: мощный лазерный излучатель; оптическую систему формирования лазерного пучка воздействия на образец; систему юстировки и наведения лазерного излучения на образец; систему измерения параметров лазерного излучения; аппаратуру регистрации результатов воздействия лазерного излучения. Принцип работы лазерной установки состоит в том, что излучение импульса с требуемыми временными параметрами, исходящее от генератора малой мощности, последовательно проходит каскад усилителей, усиливаясь до значения 10–15 Дж. С помощью оптической системы энергия концентрируется на испытуемом образце, обеспечивая плотность на мишени до 60 Дж/см2, система измерений фиксирует параметры воздействующего лазерного излучения, затем с помощью микроскопа определяют наличие или отсутствие в данном образце микроразрушений.

Аппаратура лазерной установки (рис.6) расположена в чистых производственных помещениях (класс ИСО 9), в трех раздельных зонах, что обеспечивает необходимые условия проведения измерений и безопасность работы. В первой зоне размещается аппаратура системы энергопитания установки (емкостные накопители, зарядные устройства, блоки зажигания импульсных ламп накачки). Во второй зоне размещена оптико-механическая часть установки, включающая в себя: задающий генератор, квантроны усилителей, вакуумный пространственный фильтр, измерительную аппаратуру, испытуемые образцы материалов, а также системы охлаждения и вакуумный насос. В третьей зоне располагается пульт управления установкой.

В качестве задающего генератора использован твердотельный лазер на LiYF4-кристалле (тетрафторид иттрия-лития) с диодной накачкой, который обеспечивает генерацию импульсов длительностью 3–5 нс и с энергией около 10–3 Дж в одном импульсе. В качестве активной среды в усилительных каскадах используется фосфатное стекло, легированное ионами неодима, у которого спектр люминесценции практически совпадает со спектральными характеристиками излучения LiYF4-кристалла. В усилительных каскадах используется ламповая накачка.

Технические проблемы, возникающие при построении лазерного усилителя с большими коэффициентами усиления, а именно устранение воздействия обратного блика на оптику задающего генератора, подавление самовозбуждения в усилителях, решены посредством включения в схему лазерной установки невзаимных элементов: ячейки Фарадея на основе кристалла TGG (тербий-галлий-гранат) и пассивного светозатвора на основе YAG:Cr4+ (кристалл иттрий алюминиевого граната, легированный хромом). С помощью фазовой пластинки λ/4 в каскадах усилителей реализуется круговая поляризация излучения, вакуумный пространственный фильтр устраняет мелкомасштабные неоднородности и настроен на получение расходящегося излучения. Совокупность этих схемотехнических решений позволила повысить пороги самофокусировки излучения в активных элементах усилительного тракта установки.

Фокусировка лазерного излучения с помощью комбинации призменного растра и положительной линзы позволяет сформировать на испытуемом образце зону воздействия с равномерным распределением плотности излучения в пятне с размерами около 5 Ч 5 мм. Призменный растр играет роль гомогенизатора лазерного пучка и состоит из 49 растровых элементов, образованных семью гранями с каждой стороны элемента из стекла К-8 (рис.7).

Система измерения энергетических параметров излучения включает в себя тепловые головки (тепловой датчик средней мощности, термоэлектрический датчик) производства Ophir и регистрирующий прибор Nova II, обеспечивающие измерение энергии импульсов излучения с погрешностью ±3%. Для измерения временных параметров излучения использован кремниевый фотодиод FPS-1 с осциллографом, что позволяет регистрировать импульс длительностью 3–5 нс. Реализованная конструкция лазерной установки обеспечивает устойчивые характеристики лазерного излучения, приведенные в табл. 1.

Безопасность работы на лазерной установке достигается рядом принятых мер. Во–первых, расположением основного оборудования в разных зонах: система электропитания оборудования и пульта управления системой электропитания отделены от основного зала. При этом передача на пульт управления информации о напряжении на каждой из емкостных батарей идет с помощью видеокамеры. Во-вторых, лабораторное помещение снабжено устройствами блокировки, которые обеспечивают снятие высоковольтного заряда с конденсаторов при открытии входной двери лабораторного помещения.

С точки зрения методических возможностей проведения измерений, на данной установке они не исчерпываются прямыми измерениями размера пятна и энергетических параметров. Также можно проводить измерения пороговых значений плотности энергии излучения, приводящих к разрушениям в образце посредством наложения топографической картины разрушений на распределения плотности энергии в пятне воздействия. Данная задача решается при помощи программы IsoMap, которая позволяет проводить обработки числовых массивов файлового формата CSV, генерируемых программным обеспечением видеокамеры, и проводить визуальный анализ распределений плотности излучения по CSV-файлам и определять карту уровней одинаковой плотности энергии (рис.8).

Обсуждение результатов

В ходе измерений были реализованы следующие величины параметров излучения:

• длительность импульса 3–5 нс;

• выходная энергия 3–15 Дж (это достигается изменением уровня напряжения на емкостных накопителях в пределах от 0 до 5 000 В с точностью до 10 В);

• плотность энергии излучения в районе исследуемого образца в зависимости от размера пятна – от 3 до 60 Дж/см2 (реализуется ослаблением излучения с помощью набора нейтральных светофильтров).

Измеренная пороговая плотность энергии (лучевая прочность) образцов-свидетелей дисковых активных элементов из фосфатного стекла удовлетворяет предъявляемым к ним требованиям, погрешность измерений составила ±8% при количестве облучений образца 8–10 раз. В табл. 2 приведены экспериментальные значения объемной лучевой прочности образцов лазерного фосфатного стекла одинакового состава, но полученных с использованием различных технологических процессов. Полученные данные позволили оценить направления усовершенствования технологи производства фосфатного стекла с точки зрения лучевой прочности.

Опыт эксплуатации вновь созданной лазерной установки показал, что она может быть использована для контроля лучевой прочности широкого класса оптических материалов и покрытий. Кроме того, возможность получения достаточно высокой плотности энергии при относительно большом пятне воздействия позволяет определять в данных условиях порог самофокусировки оптических материалов.

Авторы выражают признательность руководству и сотрудникам АО ЛЗОС и ОАО «Швабе–Исследования» за совместную дружную и творческую работу при создании лазерной установки, а также сотруднику ОАО ВНЦ «ГОИ им. С.И.Вавилова», СПб, Серебрякову В.А., внесшему вклад в данный проект.

Полное содержание статьи: http://www.photonics.su/files/article_pdf/5/article_5189_111.pdf