Таблица 4.1

Распределение

Плоскость объекта

Гауссов пучок

Вид распределения Дифракционная

Вид распределения

Дифракционная расходимость

Однородный прямоугольник

Вид распределения

Дифракционная расходимость

Однородное кольцо

Вид распределения

Дифракционная расходимость

t-

Плоскость изображения

{и yi) ехр

27rV2r(x-f +у1

6(86,5% )=Х/,сГг

(84%) = 1,22 Ifd У*-функция Бесселя I рода I порядка

е(91н)=.х/д. еу(91%) = х/б

/ ixu Vi) =/о «2 sin с (-j sin с f

- 2-1::;:-- -Mi-:----

2,4 ЦМ-\)

9(84%)

для решения задач, связанных с передачей энергии лазерное! го излучения на большие расстояния, необходимо использовать специальные формирующие телескопические системы, на выходе которых получаются пучки с большими попереч-, ными сечениями. • *

Представленные в табл. 4.1 результаты расчетов распределения интенсивности лазерного излучения в дальней зоне получены в предположении, что выходящая световая волна имеет одинаковую фазу во всех точках плоскости объекта. Такой волновой фронт называется плоским. Распределение фазы в выходном сечении является определяющим для формирования распределения интенсивности в плоскости изображения, и именно это оказывается причиной того, что для различных форм выходной апертуры (т. е. различных распределений интенсивности в плоскости объекта) распределения интенсивности в плоскости изображения подобны. В то же время нарушение фазовой однородности излучения сразу приводит к существенному изменению распределения интенсивности излучения в плоскости изображения и к ухудшению расходимости лазерного луча (рис. 57, в).

Причинами пространственной некогерентности лазерного луча и искажений фазового фронта могут быть многомодо-вый характер излучения, недостаточное качество поверхности зеркал резонатора или формирующей оптики, а также оптические неоднородности активной среды.

В случае многомодовой структуры пучка, состоящего из п отдельных некогерентных между собой пучков, для нахождения распределения интенсивности в дальней зоне угловую расходимость определяют исходя из .размера наименьшего пучка min, Т. е.

0~Vrfmin~ (Vrf)y«, где d -общая апертура

излучения.

Для исключения отрицательного влияния формы зеркал на фазовые искажения лазерного излучения требуется высО кое качество обработки зеркальных поверхностей. Так, отклонение от заданной формы по всей поверхности не должно превышать 1/25, а высота микронеровностей должна быть менее 1/100, что для оптики видимого диапазона соответствует сотым долям микрона. Причем, эти требования необходимо обеспечить в эксплуатационных условиях под воздей ствием реальных силовых и тепловых нагрузок, обусловленных функционированием лазера. Очевидно, что указанный

гребования относятся и к точности взаимного расположения зеркал в резонаторе (точности юстировки зеркал).

Наибольшее распространение в маломощных непрерывных лазерах получили стеклянные или кварцевые зеркала с диэлектрическим покрытием. Диэлектрические покрытия могут обеспечить высокие коэффициенты отражения (почти до 100 %) при поглощении порядка долей процента.

Диэлектрические зеркала получают путем последовательного нанесения иа подложку чередующихся слоев с низким и высоким коэффициентом преломления. Для излучения видимой и ближней инфракрасной области в качестве покрытия используется сернистый цинк, фтористый магний, фтористый стронций и др. Подложка выводных зеркал устойчивых резонаторов, естественно, выполняется из материала прозрачного для лазерного излучения.

Для зеркал лазеров, работающих в дальней инфракрасной области, часто используют металлические покрытия из меди, серебра, золота. Такие зеркала имеют более высокую механическую прочность и более стойки к мощному излучению.

Для мощных лазеров зеркала целиком изгетавливаются из металла с высокой теплопроводностью (медь, хромистые бронзы) с золотым или серебряным покрытием. Если теплопроводность материала зеркал оказывается недостаточной для стационарной работы в условиях больших тепловых нагрузок, то используют охлаждаемые зеркала, в которых обеспечивается эффективный отвод тепла из поверхностного слоя и сохранение формы поверхности (см. рис. 72, 73).

4.2.2. Оптическое качество активной среды

Помимо возмущений, связанных с качеством покрытий зеркал и их разъюстировкой, в лазерах могут возникать дополнительные возмущения фазы, связанные с наличием в резонаторе активной среды. Неоднородность оптических характеристик активной среды, прежде всего разные скорости распространения электромагнитного излучения в различных областях, приводит к изменению фазового фронта световой волны при ее прохождении через активную среду.

Причинами появления неоднородностей могут быть как исходные характеристики активных сред лазеров (неоднородности распределения оптических свойств твердотельных крис-

таллов и стекол, связанные с их изготовлением, неоднорйд-ности распределения плотности газовых сред, обусловленные их движением в резонаторе), так и воздействие иа рабочее тело накачки. Например, при оптической накачке твердотельных лазеров происходит неравномерное поглощение энергии в поперечном сечении активной среды, что, в свою очередь, вызывает возникновение термических напряжений и дефор, маций рабочего тела и оказывает сильное влияние на en оптические свойства.

В жидких активных телах также возникают значительны! оптические неоднородности, связанные с неравномерностью накачки, вследствие чего расходимость излучения существенно возрастает. Поэтому в таких лазерах трудно получить дифракционную расходимость лазерного излучения вместе с высокими энергетическими характеристиками. Неоднородности газовых активных сред существенно меньше, что, в первую очередь, объясняется меньшей плотностью газа по сравнению с твердыми телами и жидкостями. Поэтому в газовых лазерах небольшой мощности с неподвижной газовой средой сравнительно легко обеспечивается дифракционная расходимость излучения. Однако с ростом поперечных размеров активных сред и переходу к лазерам с движущимися сре-, дами также появляются проблемы, связанные с достижением высокого качества излучения.

В электроразрядных лазерах с поперечным разрядом (см; подразд. 3.2) возникают существенные неоднородности распределения температуры и плотности, а следовательно, и коэффициента преломления по объему активной среды из-з особенностей пространственных характеристик электрич ского разряда в движущейся плазме. На рис. 59, а приведен йнтерферограмма активной среды электроразрядного лазера, на которой контрастные полосы можно сопоставить с изоли- ниями коэффициента преломления в газе. Результатом обра-i ботки экспериментальных данных являются построенная на рис. 59, б поверхность волнового фронта, искаженная в результате прохождения плоской световой волны через неоднородную газовую среду, и соответствующее прошедшей волне трехмерное распределение интенсивности излучения в даль; ней зоне (рис. 59, в).

Рис. 59. Йнтерферограмма газодинамического тракта (а), распределение фазы излучения в выходном сечении (б) и распределение интенсивности излучения в дальней зоне (в) для электроразрядного СОг-лазера