Устройство формирования лазерного излучения
Сущность полезной модели: Устройство формирования лазерного излучения, включает расположенные в одной плоскости параллельно друг другу идентичные лазерные каналы с ядерной накачкой, оптически связанные между собой посредством сложного резонатора, имеющего резонаторы каждого лазерного канала, которые выполнены в виде двух глухих зеркал и дополнительного резонатора в виде глухого зеркала, оптическая ось которого перпендикулярна оптическим осям лазерных каналов, причем в местах пересечения оптических осей лазерных каналов с осью дополнительного резонатора установлены под одинаковым углом полупрозрачные зеркала. Лазерные каналы разделены на группы не более 10 каналов, каждая из которых снабжена дополнительным идентичным лазерным каналом, резонатор которого выполнен из глухого и полупрозрачного зеркала, при этом второе зеркало дополнительного резонатора выполнено глухим. Технический результат: получение лазерного излучения, представляющего собой набор сфазированных лазерных пучков, количество которых во много раз меньше количества лазерных каналов. (1 н.п. ф.п.м.) (1 фиг.)
Область техники:
Полезная модель относится к области лазерной техники и может быть использована для получения лазерного излучения высокого качества в сочетании с большой мощностью и найдет применение в технологии (сварка, резка материалов, лазерное разделение изотопов), оптической локации, а также для перемещения космических объектов и сжигания космического мусора.
Уровень техники:
В настоящее время для решения задач термоядерного синтеза, разделения радиоактивных изотопов, разрушения протяженных объектов и др. находят применение многоканальные лазерные установки. Для эффективного использования таких установок важно обеспечить формирование единого поля излучения.
Известно устройство формирования излучения многоканальной лазерной системы, содержащее несколько лазерных каналов с ядерной накачкой, которое реализует варианты последовательного или параллельного сложения каналов [1, 2] с выводом излучения в виде единственного пучка. Характерной особенностью параллельного сложения каналов является поперечный по отношению к осям лазерных каналов вывод излучения.
Известно устройство формирования лазерного излучения, включающее расположенные в одной плоскости параллельно друг другу идентичные лазерные каналы с ядерной накачкой, оптически связанные между собой посредством сложного резонатора, имеющего резонаторы каждого лазерного канала, которые выполнены в виде двух глухих зеркал и дополнительного резонатора. Оптическая ось дополнительного резонатора, выполненного в виде глухого и полупрозрачного зеркал, перпендикулярна оптическим осям лазерных каналов. При этом, в местах пересечения оптических осей лазерных каналов с осью дополнительного резонатора установлены под одинаковым углом полупрозрачные зеркала [3].
Недостатком данного устройства является то, что число параллельно сложенных каналов ограничено сверху. Как показывают расчеты, проведенные в работах [3, 4], эффективно складывать излучение возможно не более 10 лазерных каналов в зависимости от геометрии лазерных каналов, типа активной среды, способа и интенсивности накачки. Результаты этих работ показывают, что при увеличении числа каналов мощность генерации составного лазера сначала пропорциональна числу лазерных каналов, затем ее рост замедляется и стремится к некоторому пределу. Эффективность сложения лазерного излучения падает с ростом числа каналов из-за того, что с увеличением интенсивности лазерного
пучка возрастают потери излучения на оптических элементах сложного резонатора. При этом интенсивность излучения распределена неоднородно в пределах сложного резонатора: с удалением от выходного зеркала интенсивность излучения возрастает. Это приводит к тому, что значительная часть лазерных каналов работает неэффективно: в каналах, более удаленных от выходного зеркала резонатора эффект усиления излучения практически полностью нивелируется потерями на оптических элементах. В результате, увеличение количества лазерных каналов выше некоторого предела (около 10 каналов) не приводит к росту мощности лазерного излучения. С другой стороны, мощная лазерная установка может содержать более 100 каналов. Указанные недостатки существенно ограничивают возможности использования оптической схемы параллельного сложения каналов для формирования излучения мощных многоканальных лазерных установок.
Устройство [3], как наиболее близкое по технической и физической сущности выбрано в качестве прототипа.
Раскрытие полезной модели:
Задачей является получение излучения высокого качества с мощностью, равной суммарной мощности лазерных каналов, работающих по отдельности, многоканальной лазерной установки.
Техническим результатом полезной модели является получение лазерного излучения, представляющего собой набор сфазированных лазерных пучков, количество которых во много раз меньше количества лазерных каналов.
Технический результат достигается тем, что устройство формирования лазерного излучения, включает расположенные в одной плоскости параллельно друг другу идентичные лазерные каналы с ядерной накачкой, оптически связанные между собой посредством сложного резонатора, имеющего резонаторы каждого лазерного канала, которые выполнены в виде двух глухих зеркал, а также дополнительного резонатора в виде глухого зеркала, оптическая ось которого перпендикулярна оптическим осям лазерных каналов. Причем в местах пересечения оптических осей лазерных каналов с осью дополнительного резонатора установлены под одинаковым углом полупрозрачные зеркала. Новым, в заявляемом решении является то, что, лазерные каналы разделены на группы не более 10 каналов, каждая из которых снабжена дополнительным идентичным лазерным каналом, резонатор которого выполнен из глухого и полупрозрачного зеркала, при этом второе зеркало дополнительного резонатора выполнено глухим.
Введение дополнительных лазерных каналов, через полупрозрачные зеркала которых производится вывод излучения, позволяет получить лазерное излучение, представляющее собой набор сфазированных лазерных пучков, количество которых во много раз меньше количества лазерных каналов.
Выполнение второго зеркала дополнительного резонатора глухим позволяет получить излучение высокого качества с мощностью, равной суммарной мощности лазерных каналов, работающих по отдельности, многоканальной лазерной установки.
Деление множества лазерных каналов на группы каналов по 10 каналов, каждая из которых снабжена лазерным каналом, резонатор которого выполнен из глухого и полупрозрачного зеркала, через которое осуществляется вывод излучения, позволяет сформировать практически однородное распределение электромагнитного поля внутри сложного резонатора и добиться высокой эффективности преобразования энергии накачки в мощное лазерное излучение высокого оптического качества, а также уменьшить количество выводимых лазерных пучков в 10 раз.
Рассмотрим вариант реализации предлагаемого устройства формирования лазерного излучения, который схематично изображен на фиг., где 1, 2, 3 - глухие зеркала, 4 - окна Брюстера, 5 - полупрозрачные выходные зеркала, 6 - полупрозрачные поворотные зеркала.
Устройство представляет собой многоканальную лазерную установку с ядерной накачкой. Лазерные каналы представляют собой трубы из нержавеющей стали диаметром 80 мм и длиной 2.4 м. Внутри каждого канала на расстоянии 2 см друг от друга размещены две плоские алюминиевые пластины с размерами 6×200 см2. На внутренние поверхности пластин нанесены слои из окиси-закиси урана-235 толщиной ~3 мг/см 2. Газовый объем каналов с одной стороны ограничен глухими сферическими интерференционными зеркалами, а с другой стороны - окнами Брюстера. Лазерные каналы расположены в одной плоскости параллельно друг другу, расстояние между осями каналов составляет 160 мм. Каналы заключены в оболочку, выполненную из оргстекла, размерами 16×32×200 мм3, служащую в качестве замедлителя нейтронов. В качестве источника нейтронов используется водный импульсный реактор ВИР-2М [5]. Длительность реакторного импульса на половине высоты составляет 3.2 мс при энерговыделении реактора 54±2 МДж. Средняя плотность потока нейтронов в максимуме реакторного импульса в пересчете на тепловые составляет 2·1015 см-2 с-1.
Устройство работает следующим образом. При воздействии импульса нейтронов, источником которых является реактор ВИР-2М, в урановых слоях лазерных каналов происходят акты деления, в результате которых образуются высокоэнергетичные осколки деления урана-235. Осколки деления, вылетающие из слоев, передают часть своей кинетической энергии газовой среде, в результате чего создается лазерно-активная среда. При достижении порога в каждом из каналов сложного резонатора возникает лазерная генерация. При достаточном превышении порога генерации электромагнитное поле лазерных каналов становится сфазированным благодаря обмену излучением между каналами. Таким образом, в сложном резонаторе формируется единое поле излучения,
вывод которого осуществляется через полупрозрачные зеркала. В результате, многоканальная лазерная система генерирует лазерный пучок, представляющий собой набор сфазированных лазерных пучков, количество которых в 10 раз меньше количества лазерных каналов.
На предприятии проведено расчетно-теоретическое обоснование работоспособности предлагаемого устройства с достижением вышеуказанного технического результата. Предлагаемое решение планируется использовать для формирования излучения многоканального лазерного модуля, находящегося в стадии изготовления.
Заявленное устройство найдет применение в технологии (сварка, резка материалов, лазерное разделение изотопов), оптической локации, а также для перемещения космических объектов и сжигания космического мусора.
Источники известности:
1. С.В.Патянин. Методы формирования единого оптического пучка в многоканальных лазерных установках // Тезисы докладов III Нижегородской сессии молодых ученых. Нижний Новгород. 1998. - с.41-42.
2. С.Л.Турутин, А.А.Синянский. Многоканальный ядерно-лазерный модуль // Труды III международной конференции «Проблемы лазеров с ядерной накачкой и импульсные реакторы». Снежинск. 2003. - с.421-425.
3. А.А.Pikulev, A.A.Abramov. The numerical investigation efficiency of parallel and successive laser cells composition // Proceedings of SPIE, 2006, Vol.6263, P.186-196
4. А.А.Пикулев, А.А.Абрамов. Расчетное исследование эффективности параллельного сложения лазерных каналов // Труды III международной конференции молодых ученых и специалистов «Оптика-2003». - СПб. 2003. - с.324.
5. A.M.Воинов, Л.Е.Довбыш, В.Н.Кривоносов, С.П.Мельников, С.Ф.Мельников, А.А.Синянский. Экспериментальный комплекс на основе реактора ВИР-2М для исследования лазеров с ядерной накачкой // ВАНТ. Сер. Физика ядерных реакторов, 2000, Вып.2/3, С.63-68.
Устройство формирования лазерного излучения, включающее расположенные в одной плоскости параллельно друг другу идентичные лазерные каналы с ядерной накачкой, оптически связанные между собой посредством сложного резонатора, имеющего резонаторы каждого лазерного канала, которые выполнены в виде двух глухих зеркал и дополнительного резонатора в виде глухого зеркала, оптическая ось которого перпендикулярна оптическим осям лазерных каналов, причем в местах пересечения оптических осей лазерных каналов с осью дополнительного резонатора установлены под одинаковым углом полупрозрачные зеркала, отличающееся тем, что лазерные каналы разделены на группы не более 10 каналов, каждая из которых снабжена дополнительным идентичным лазерным каналом, резонатор которого выполнен из глухого и полупрозрачного зеркала, при этом второе зеркало дополнительного резонатора выполнено глухим.
