Экспериментально исследована пространственно-временная структура излучения технологического электроразрядного СО₂ - лазера с проточной активной средой. Установлено, что при оптимальной конструкции оптической и газодинамической секций происходит полное подавление высокочастотных флуктуаций выходной мощности и снижение амплитуды низкочастотных флуктуаций до уровня 6-10%. В то же время распределение интенсивности в поперечном сечении носит сложный и нестабильный характер. Показано, что усложнение структуры излучения сопряжено с формированием в поле излучения случайных каустик и винтовых дислокаций волнового фронта.

Ключевые слова: технологический лазер, качество лазерного излучения, дислокации волнового фронта

Существует целый ряд физических факторов, усложняющих пространственно-временную структуру излучения быстропроточных технологических СО₂ - лазеров. Высокие значения пиковой интенсивности, присущие таким лазерам, усиливают оптические неоднородности активной среды, приводят к термодеформации отражающих поверхностей зеркал резонатора, вызывают нелинейные эффекты самовоздействия в активной среде, инициируют многомодовый режим генерации [1,2]. Важную роль в развитии неустойчивостей играют автомодуляционные процессы. Они характерны для систем с поперечной прокачкой активной среды, использующих при раздельной схеме накачки и генерации резонатор с неустойчивой конфигурацией. Автоколебания мощности с периодом, близким к времени пролета среды через резонатор, приводят к глубине модуляции мощности до 100% [3,4]. Неоднородности скорости потока активной среды могут привести к стабилизации режима генерации [5]. Однако они усиливают фазовые неоднородности среды [6]. Сказанное свидетельствует о многообразии оптико-физических эффектов, негативно влияющих на стабильность и качество лазерного излучения. Результат этого влияния в литературе обычно оценивается на основе анализа структуры излучения в дальней зоне. Гораздо меньше внимания уделяется изучению характеристик лазерных пучков в ближней зоне дифракции, длина которой для широкоапертурных лазеров весьма значительна. В настоящей работе приводятся результаты исследований возмущений светового поля в ближней зоне излучения электроразрядного СО₂ - лазера с проточной активной средой на длине волны l = 10.6 мкм.

Конструкция исследуемого лазера была подобна описанной ранее в [7]. Активная среда в полости резонатора образовывалась путем подмешивания газовой компоненты СО₂ к бинарной смеси N+He, предварительно колебательно возбужденной в газоразрядной камере. Устройство камеры позволяло получать удельный энерговклад до 400 Дж/г. Скорость прокачки активной среды варьировалась в диапазоне 100-150 м/сек. В экспериментах можно было изменять как режим накачки и состав газа, так и характеристики оптического резонатора. В рабочих режимах обеспечивалась глубина модуляции электровклада в разряд не выше 5% и нестабильность газодинамических параметров, не превышающей 3%. Для съема энергии с активной среды лазера использовалось различные схемы неустойчивых резонаторов с увеличением М = 1,12-2,2. В зависимости от резонаторной схемы охват активной среды лазера осуществлялся одним или двойным прохождением излучения через активный объем. В двухпроходном неустойчивом резонатора использовались уголковые отражатели, состоящие из двух или трех плоских зеркал. Применение таких отражателей дает возможность не только эффективно заполнить активную среду излучением, но и позволяет выравнивать распределение интенсивности в поперечном сечении пучка из-за поворота поля в полости резонатора. Излучение, выходящее из резонатора, можно было формировать в поперечном сечении в виде прямоугольника, квадрата или круга с затененной выходным зеркалом центральной частью. В большинстве экспериментов внешняя апертура выходного излучения составляла, примерно, 5см.

Измерение величины флуктуации мощности и распределения интенсивности в поперечном сечении выходного излучения проводились в предварительно ослабленном лазерном пучке. Для ослабления мощного излучения применялись штриховые дифракционные решетки, нарезанные на подложке зеркал, дифракционные ответвители на основе зеркал с регулярной дырчатой структурой, а также ответвители в виде выполненных в форме узких полосок сферических зеркал. В случае недостаточного ослабления дополнительно применялись оптические пластины в виде клина из KCl или ZnSe. В качестве фотоприемников использовались фоторезисторы типа ФСГ-223 или инфракрасные приемники на основе HgCdTe. В зависимости от величины мощности ослабленного лазерного пучка регистрация излучения проводилась напрямую или через интегрирующую сферу. Для измерения распределения интенсивности в поперечном сечении пучка устанавливались маленькие сферические зеркальца диаметром 5-10мм. Осуществляя с их помощью сканирование апертуры выходного пучка, можно было регистрировать распределение интенсивности с разрешением 3-7 мм в любом выбранном сечении пучка. Время сканирования апертуры пучка составляло 10^-2 - 10^-3 сек.

Было установлено, что в двухпроходной схеме резонатора средняя величина флуктуаций мощности не превышает 6-10%. при коэффициенте увеличения резонатора М = 1,5. Характерная для указанного коэффициента увеличения осциллограмма временного хода полной мощности излучения показана на рис. 1. Варьирование коэффициента увеличения резонатора в пределах М=1,5-2,2 не приводило к заметным изменениям характера временного хода мощности. При этом величина мощности, снимаемой с активной среды лазера, с увеличением М уменьшалась из-за недостаточной плотности мощности в полости резонатора. Уменьшение коэффициента увеличения неустойчивого резонатора со значения М=1,5 до М=1,12 приводило к росту флуктуаций мощности. Также к увеличению величины флуктуации мощности приводило и уменьшение апертуры съема энергии вдоль потока при переходе к однопроходной схеме резонатора. Однако глубина модуляции мощности при этом не превышала 20%.

Следует отметить, что во всех проведенных экспериментах модуляция мощности генерации была низкочастотной (до 10 Гц) и не содержала спектральных компонент, соответствующих пролетному времени активной среды через полость резонатора. Последний факт можно объяснить тем, что даже в однопроходной схеме резонатора происходит эффективное усреднение по всему полю генерации факторов, обуславливающих высокочастотные колебания мощности.

В отличие от временного хода полной мощности интенсивность в поперечном сечении пучка во времени была крайне нестабильна. Кроме того, ее распределение по поперечным координатам имело очень сложный вид. На дифракционные полосы, связанные с дифракцией Френеля на ограничивающих диафрагмах резонатора, накладывались нестационарные случайным образом расположенные пятна с интенсивностью значительно превосходящей ее среднее значение. Диафрагмы устанавливались для того, чтобы устранить паразитные каналы генерации и попадание мощного излучения на конструктивные элементы резонатора. Величина пространственной модуляции распределения интенсивности, обусловленная дифракцией, менялась в зависимости от удаленности плоскости измерения по отношению к срезу выходной апертуры резонатора. В зоне близкой к выходной апертуре резонатора глубина модуляции достигала 30%, а по мере удаления плоскости измерения от выходной апертуры резонатора величина модуляции интенсивности излучения уменьшалась и на расстояниях более 10м устанавливалась на уровне меньшем 15%.

Количество 'горячих' пятен в поперечном сечении выходного пучка зависело от уровня генерируемой мощности. При больших значениях мощности регистрировалось до шести таких пятен. Со снижением мощности выходного излучения количество таких пятен уменьшалось, и при мощности излучения 5 - 6 кВт регистрировалось не более двух пятен. Их размеры на расстоянии 19м от плоскости выходной апертуры лазера менялись в диапазоне 10-20мм. Нарис. 2 приведено характерное распределение интенсивности в фиксированном поперечном скане пучка, измеренное в различные времена генерации. Интервал между последовательно регистрируемыми распределениями интенсивности составлял 0.02 сек. Как видно из рис.2, на распределении появляются области с интенсивностью, отличающейся от ее среднего значения в 3-7 раз.

Для повышения наглядности регистрации зон с высокими значениями интенсивности и оценки их продольных размеров была создана специальная аэрозольная камера, позволяющая визуализировать пространственные фрагменты пучка, интенсивность которых превосходит определенный уровень. В качестве рабочей среды в аэрозольной камере использовали взвешенные в воздухе мелкие частицы корунда. Для того, чтобы повысить плотность мощности и достичь пороговый уровень свечения корунда, излучение пропускалось через аэрозольную камеру, будучи предварительно сфокусированным при помощи длиннофокусного зеркала. Такая методика позволяла по характеру свечения корунда исследовать процесс преобразования структуры лазерного пучка. На рис.3 приведена одна из полученных фотографий свечения частиц корунда в сходящемся пучке лазера. Из нее видно, что зоны с экстремальной интенсивностью имеют вид длинных узких каналов. Количество и положение таких каналов в процессе генерации постоянно менялось.

Параллельно с регистрацией пространственного распределения интенсивности излучения при помощи интерферометра поперечного сдвига проводилось исследование особенностей фазового распределения в поперечном сечении лазерного пучка. Анализ интерферограмм, соответствующих высокому уровню выходной мощности (порядка 10 кВт), показал, что наряду с существенными фазовыми аберрациями на волновом фронте формируются винтовые дислокации. Однако при снижении уровня мощности до 3-4 кВт происходило резкое уменьшение фазовых аберраций и дислокационные образования не наблюдались. Идентификация винтовых дислокаций проводилась по точкам ветвления интерференционных полос. На рис. 4 приведена интерферограмма волнового фронта с винтовой дислокацией. Регистрация винтовых дислокаций находится в согласии с ранее выполненными наблюдениями [8, 9] топологических искажений волнового фронта в .лазерном излучении и свидетельствует о том, что их образование характерно для пучков весьма широкого класса лазеров.

Таким образом, исследуемому типу лазера при достаточно стабильном уровне полной выходной мощности свойственна сложная и неустойчивая форма распределения амплитуды и фазы в поперечном сечении излучения. Механизмы стохастизации амплитудно-фазового профиля пучка и образования 'горячих' пятен с высокими значениями интенсивности излучения могут быть разными. Один из них связан с возбуждением в резонаторе лазера суперпозиции поперечных мод [2]. Другой механизм формирования сложного распределения амплитуды и фазы в ближней зоне может быть обусловлен нестационарными возмущениями волнового фронта выходного излучения. Даже в случае плавных возмущений при превышении определенного уровня глубины фазовой модуляции в результате дифракционного перераспределения энергии в пучке могут формироваться каустические образования и фазовые сингулярности [10, 11]. Первые из них проявляются в виде фрагментов поперечной структуры с экстремальными значениями интенсивности, вторые - в виде винтовых дислокаций фазы.

Процесс возникновения дислокационных и каустических образований в пучке, имеющем в выходной плоскости равномерное распределение интенсивности и плавные случайные возмущения волнового фронта, иллюстрирует рис.5. На нем приведены рассчитанные распределения интенсивности и структуры эквифазных линий на разных расстояниях от выходной плоскости. В расчетах использовался метод разложения первоначального поля по плоским волнам [11, 12]. В выходной плоскости интенсивность распределена равномерно, а распределение фазы смоделировано таким образом, что среднеквадратичные отклонения ее значений от фазы плоской волны равно s  = 0.6 рад. Возмущение волнового фронта на указанном уровне характерны для исследуемого лазера при высоких значениях выходной мощности. Из приведенных рисунков видно, что фазовые аберрации в выходной плоскости вызывают формирование в поперечном сечении случайных по форме и по положению участков с повышенным значением интенсивности, а на некотором удалении - и винтовых дислокаций волнового фронта (о наличии последних можно судить по точкам пересечения эквифазных линий).

Численное моделирование трансформации амплитудно-фазового распределения показало, что, как и в случае регулярных возмущений волнового фронта [12], образование винтовых дислокаций носит пороговый характер. С уменьшением s плотность винтовых дислокаций резко снижается, и при s <  0.5 их появление становится маловероятным. Это совпадает с данными экспериментального исследования.

Таким образом, появление в поперечном сечении пучка 'горячих пятен' и фазовых сингулярностей находит в рамках рассмотренной модели простое объяснение. В тех случаях, когда необходимо исключить образование фазовых сингулярностей и связанных с ними локальных нулей интенсивности, параметры лазерной генерации следует держать в диапазоне, исключающим превышение предельного уровня фазовых возмущений. Поскольку экспериментальное определение параметра s непосредственно из интерферометрических измерений представляет определенную сложность, с практической точки зрения более удобным может оказаться способ определения указанного параметра, исходя из связанного с ним числа Штреля. Проведенные расчеты показали, что критическому значению s  = 0.5 соответствует число Штреля пучка I_sh =0.85.