Формирование пространственных распределений и коррекция аберраций световых полей методами адаптивной оптики

На правах рукописиЧЕРЕЗОВА ТАТЬЯНА ЮРЬЕВНАФОРМИРОВАНИЕ ПРОСТРАНСТВЕННЫХ РАСПРЕДЕЛЕНИЙИ КОРРЕКЦИЯ АБЕРРАЦИЙ СВЕТОВЫХ ПОЛЕЙМЕТОДАМИ АДАПТИВНОЙ ОПТИКИСпециальность 01.04.21 – лазерная физикаАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степенидоктора физико-математических наукМосква – 2008Работа выполнена на кафедре общей физики и волновых процессовфизического факультета Московского государственного университета имениМ.В.ЛомоносоваОфициальные оппоненты:доктор физико-математических наук, профессорБельдюгин Игорь Михайловичдоктор технических наук, профессорВалуев Виктор Васильевичдоктор физико-математических наук, профессорЛукин Владимир ПетровичВедущая организация: Институт проблем механики Российской АкадемиинаукЗащитасостоится"__"июня2008 г.диссертационного совета Д 501.001.31в _____ часов на заседаниипри Московском государственномуниверситете имени М.В.Ломоносова по адресу: 119991 ГСП-1,Москва,Ленинские горы, МГУ имени М.В.

Ломоносова, д.1, стр. 62, корпус нелинейнойоптики, аудитория им. С.А.Ахманова.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультетаМГУ им. М.В.Ломоносова.Автореферат разослан "___" __________2008 г.Ученый секретарь диссертационного совета Д 501.001.31кандидат физико-математических наукИльинова Т.М.2Актуальность темы. Широкое использование лазеров в современныхпромышленных технологиях, биологии, медицине, в локационных,информационных, навигационных системах, то есть в различных областяхнауки и техники, медицины требует оптимизации параметров лазерногоизлучения для каждой конкретной задачи.

Так, например, при использованииСО2 лазеров в процессе резки металла необходимо добиться возможно более“острой” фокусировки светового пучка на поверхности металла [1]. В процессетермическойобработки(закалки)металловосновноетребование,предъявляемое к излучению, состоит в равномерном распределенииинтенсивности по сечению пучка. В этом случае упрочненные зоны металлаимеют однородную структуру. Для решения упомянутых и ряда других задачоптимальнымявляетсяиспользованиесупергауссовараспределенияинтенсивности ТЕМ00 моды [2]. Эта мода обеспечивает более однородноераспределение энергии поля в ближней зоне и более “острую” формураспределения интенсивности в дальней зоне по сравнению с гауссовой ТЕМ00модой.При решении других задач современной технологии, например, задачкоммуникации или задач захвата и вращения микрообъектов, удобным являетсяиспользование лазерных пучков с винтовыми дислокациями волнового фронта[3], которые представляют собой области циркулярного движения потокаэнергии в электромагнитной волне.

Типичным примером оптического вихряявляется «бубликообразная» мода Лагерра-Гаусса LG01 лазерного резонатора.Такие пучки обладают свойством самовосстановления, кроме того, весьмаудобным является наличие у вихревого пучка еще одного параметра,способного переносить информацию – направления закрутки винтовойдислокации.В последнее время для решения задач переноса энергии, созданияуправляемых лазерных пинцетов значительное внимание привлекли новыетипы решений волнового уравнения для свободного пространства, которыеотличаются от традиционных плоских волн или классических гауссовыхпучков. Одним из таких решений является параксиальный пучок с бесселевымраспределением амплитуды [4], описывающий недифрагирующее световоеполе, имеющее одинаковое распределение интенсивности в любой плоскостиперпендикулярной оси распространения.

Однако излучение с бесселевымраспределением амплитуды, так же как и плоская волна, является физическинереализуемым, поскольку оно переносит бесконечную энергию. Поэтомуинтересным с практической точки зрения и физически реализуемым являетсяпучок с бессель-гауссовым профилем амплитуды.При решении некоторых других современных задач лазерной физики инелинейной оптики возникает необходимость формирования других заданныхпрофилей пучка. Так, например, при транспортировке мощного световогоизлучения на протяженных атмосферных трассах энергетически болеевыгодными являются кольцевые пучки [5]. Подобные пучки оказываются такжеблизкими к оптимальным в ряде задач лазерной химии [6].3Задача формирования излучения тесно связана с задачей коррекцииаберраций: при наличии аберраций в передающей и формирующей оптикеневозможно осуществить процесс формирования заданных параметровизлучения.

Более того, сам процесс формирования параметров излученияфазовыми элементами можно рассматривать как внесение заданных аберрацийв распределение фазы пучков, которые на дифракционной длине переходят вмодуляцию интенсивности.Коррекция аберраций лазерного излучения актуальна не только влазерной физике и технологии.

Например, в офтальмологии, получениевысококачественного разрешения изображения сетчатки невозможно безкоррекции оптических аберраций глаза пациента. Поэтому современныефундус-камеры снабжаются адаптивными оптическими системами, которыекомпенсируют аберрации глаза. Однако, даже в случае использованияидеального корректора, который полностью компенсирует фазовые искажениявдоль одного направления, улучшение разрешающей способности фундускамеры возможно лишь внутри ограниченной области, так называемой зоныизопланатизма.

Это связано с тем, что аберрации, приобретаемые световымпучком, распространяющимся вдоль оси коррекции и вне ее, могутсущественно различаться, поэтому фазовая коррекция с использованием одногоуправляемого элемента улучшает разрешение лишь небольшого участкаглазного дна, соответствующего зоне изопланатизма. В тоже время дляполноценной диагностики необходимо получать высокое разрешение ввозможно большем угле зрения. В этой связи встает задача разработки методиккоррекции осевых и внеосевых аберраций.Задачу формирования заданных параметров и коррекции аберрацийлазерного излучения можно решать различными способами, например, сприменением амплитудных масок, голографических и дифракционныхэлементов и т.д. Однако все перечисленные методы зависят от конкретныхпараметров пучка и при наличии в оптической системе шумов, аберраций,эффективность таких методов значительно падает.

Поэтому использованиегибких зеркал, параметры которых можно подстраивать под изменившиесяусловия эксперимента, является, с этой точки зрения, наиболее универсальным.Использованию таких зеркал для формирования заданных распределений полейи коррекции аберраций, в основном, и посвящена данная диссертационнаяработа.Таким образом, целью диссертационной работы является разработкаметодологии формирования заданных пространственных распределенийодномодового и многомодового по поперечным индексам излучения в любойвыбранной плоскости и коррекции как осевых, так и внеосевых аберрацийсветовых полей методами адаптивной оптики.Для этого решались следующие задачи:1. Разработкаиисследованиенаэффективностьметодикивнутрирезонаторногоуправлениягибкимизеркаламитакимипараметрами лазерного излучения, как фокусировка, распределение4интенсивности в заданной плоскости, интегральная мощность, пиковаяинтенсивность в дальнем поле и т.д.2.

Разработка и исследование на эффективность методики внерезонаторногоформирования заданных распределений интенсивности одномодового имногомодового по поперечным индексам лазерного излученияуправляемыми фазовыми элементами.3. Разработка и исследование на эффективность методики коррекцииуправляемыми гибкими зеркалами осевых и внеосевых фазовыхискажений, приобретаемых лазерным излучением при отражении илипрохождении «живой» (оптика глаза) и «неживой» (оптическиеэлементы) аберрационной среды.Научная новизна результатов1.Впервые разработана методика расчета формирования заданныхпараметров лазерного излучения в любой выбранной плоскости внерезонатора внутрирезонаторным гибким зеркалом.

Методика представляетсобой сочетание гибридного алгоритма управления корректором ситерационным алгоритмом Фокса-Ли расчета распределения поля в лазере.Эффективность методикипродемонстрирована экспериментально напримере управления фокусировкой многомодового по поперечныминдексам непрерывного твердотельного АИГ лазера с диодной накачкой, атакже численно на примере управления выходной мощностью, пиковойинтенсивностью в дальнем поле, формой распределения интенсивностинизшей поперечной моды как в ближнем, так и в дальнем поле гелийнеонового и твердотельного АИГ лазеров.2.Разработана, численно исследована и экспериментально реализованаоригинальная методика внерезонаторного управления параметрамилазерного излучения с помощью гибких биморфных зеркал, сочетающая всебе генетический алгоритм с алгоритмом покоординатного спуска.Эффективность методики продемонстрирована экспериментально напримере улучшения М2-параметра излучения диодного лазера в 3 раза инепрерывного АИГ:Nd лазера, работающего по схеме генератор-усилительболее, чем в два раза; на примере экспериментального формирования вдальней зоне из гауссовой супергауссовой формы распределенияинтенсивности низшей поперечной моды излучения диодного лазера, атакже численно на примере формирования в дальней зоне супергауссовыхраспределений интенсивности из многомодового по поперечным индексамизлучения СО2-лазера.3.Впервые улучшать качество формирования параметров и коррекцииаберраций лазерного излучения возможно с помощью использованияоригинальной итерационной процедуры расчета оптимальной сеткиэлектродов гибкого биморфного зеркала.

Такая процедура позволяет5рассчитатьсеткуэлектродовнепосредственноизтребуемогораспределения фазы отраженного от него лазерного пучка. Процедураапробирована экспериментально для расчета сетки электродов иизготовления корректора, воспроизводящего вихревой волновой фронтлазерного пучка.4.Впервые экспериментально получено формирование вихревых лазерныхполей с разрывом поверхности волнового фронта от одной до 32 длин волнс помощью электрически управляемых фазовых корректоров, вносящихнепрерывную или разрывную фазовую задержку в лазерный пучок.5.Предложена оригинальная методика юстировки оптических элементовсложной формы по минимуму параметра качества М2 отраженного илипрошедшего через оптический элемент лазерного пучка. Методикаапробирована экспериментально на примере юстировки внеосевыхпараболических зеркал с фокусными расстояниями 150 мм и 50 мм,апертурой 50 мм и 20 мм соответственно.6.Впервые рассчитан угол изопланатизма человеческого глаза на основеэкспериментальных измерений внеосевых аберраций точечного лазерногоисточника, сформированного на сетчатке.

Впервые показано, чтоуменьшение зоны изопланатизма реального человеческого глаза посравнению с моделью идеального глаза Гульстранда-Наварро обусловлено,главным образом, разъюстировкой оптических элементов глаза.7.Впервые предложены модели глаз, воспроизводящие как статические, так идинамические свойства аберраций реальных человеческих глаз.Статические модели глаз отличаются от традиционной моделиГульстранда-Наварро значениями смещений, углов поворота оптическихэлементов, смещением зрачка, кривизной поверхности элементов иобъясняют поведение осевых и внеосевых аберраций человеческого глаза.8.Методика расширения зоны изопланатизма впервые применена длякоррекции осевых и внеосевых аберраций человеческого глаза и впервыепоказано, что с применением такой методики можно увеличить зонувысококачественного изображения сетчатки в два раза.