Короленкo П.В. Оптика когерентного излучения (1095919), страница 18

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 18)

В таких устройствах в качестве основного элемента частоиспользуется гибкое отражающее зеркало. С помощью специальной системы управления кривизнаотдельных участков зеркала адаптируется под изгибы волнового фронта, падающего на зеркалоизлучения, что позволяет компенсировать фазовые возмущения. Но обладая высокойэффективностью при компенсации обычных аберраций, такое адаптивное устройство оказываетсяне в состоянии ликвидировать возмущения винтового типа, так как отражающая поверхностьзеркала не может менять своей топологии.

Тем не менее, ситуация не является безнадежной. Внастоящее время разработаны методы, основанные на использовании эффектов обращенияволнового фронта в нелинейных средах, которые способны с успехом бороться и стопологическими деформациями волнового фронта.Для рассмотренных выше процессов формирования вихрей в световых пучках с исходно плоскимфронтом принципиально важным является наличие в каналах распространения неоднородностей,изменяющих скорость световой волны. В определенном смысле ситуация аналогична развитиютурбулентности в потоках жидкости или газа, когда присутствие препятствий илиограничивающих поток поверхностей приводит к локальным изменениям скорости и переходу отламинарного к турбулентному движению при достаточно высокой скорости потока.

В оптикебезвихревые пучки с непересекающимися лучами могут быть соотнесены с ламинарнымипотоками жидкости или газа, а пучки с оптическими вихрями - с турбулентными потоками.Оптические вихри могут образовываться и непосредственно в источниках когерентного излучения- лазерах. Здесь механизм их формирования имеет ряд принципиальных отличий, хотя дефекты инеоднородности в оптических элементах лазера играют не последнюю роль. Рассмотрим этотвопрос более подробно.2.7.4. Генерация винтовых полей в лазерах.Винтовые М-модыКак указывалось в разделе 2.1, для устойчивых резонаторов можно найти решение волновогоуравнения в виде самовоспроизводящихся при последовательном отражении от зеркал световыхструктур. В цилиндрической системе координат эти структуры соответствуют модам ЛагерраГаусса.

Распределение их полей описывается выражением (2.1.26). Несложно показать, что этовыражение допускает обобщение, согласно которому внурирезонаторное поле можно представитьв виде:, (2.7.7)где w - параметр ширины распределения;- полиномыЛагерра; ap и bp - произвольные постоянные; индекс  , как и прежде, характеризуетазимутальные изменения фазы. Вид показателей у экспоненциальных множителей указывает навозможность возбуждения в резонаторе лазера винтовых полей. Однако реализовать этувозможность на практике бывает не просто. Первое препятствие состоит в том, что обычно врезонаторе отсутствует предпочтительное направление закрутки оптического вихря, в результатечего осуществляется равенство коэффициентов ap и bp , и формула (2.7.7) принимает вид:, (2.7.8)полностью соответствующий формуле (2.1.26).

Поле (2.7.8) характеризуется знакопеременнойамплитудой с многочисленными кольцевыми радиальными узловыми линиями. Исчезновениевинтовой структуры поля происходит вследствие наложения и интерференции вихрей разногознака.Вторая трудность формирования пучков с оптическими вихрями связана с многомодовымхарактером лазерной генерации. Как правило, в резонаторе лазера возбуждается целая системамод с разными индексами p и  . В общем случае частоты этих мод не совпадают, что снижаеткогерентные свойства излучения и не позволяет говорить о единой для генерируемого излученияэквифазной поверхности.Указанные препятствия для генерации пучков с оптическими вихрями, тем не менее, можнообойти.

Для этого нужно прежде всего обеспечить совпадение частот генерируемых мод. Прощевсего это делается путем перехода к такой геометрической конфигурации резонатора, котораяобеспечивает равенство частот всех генерируемых мод, то есть их частотное вырождение поиндексам p и  . В частности, эффект вырождения достигается, как уже указывалось в разделе2.2.2, в конфокальном резонаторе. На рис. 2.7.6, апредставлена фотография излучения лазера сконфокальным резонатором. Видно, что из-за интерференции большого числа мод с одинаковымичастотами и неким разбросом фаз (в общем, случайным) формируется спеклоподобноераспределение интенсивности. Однако в отличие от хаотической спекл-структуры поля вслучайно-неоднородных средах, приведенное распределение обнаруживает четко выраженнуюцентральную симметрию.

Интерферометрический анализ таких пучков показывает, что награницах между спеклами формируется целая система ВД. Об этом свидетельствует фрагментинтерферограммы пучка, приведенный на рис. 2.7.6, б. Как и на предыдущем рисунке, дляудобства идентификации ВД их положение отмечено прямоугольниками.Рис 2.7.6. Структура и интерферограмма излучения лазера с конфокальным резонатором.Аналогично расположению спеклов, распределение ВД в выходных пучках характеризуетсявысокой степенью упорядоченности.

Регулярный характер распределения ВД в лазерных пучкахстимулировал появление в литературе термина "фазовый сингулярный кристалл". Фазовыйсингулярный кристалл служит своеобразным остовом для вихревого лазерного пучка, определяявсе его свойства, которые проявляются при распространении в свободном пространстве илиоптических системах.

Важное значение дислокационной структуры излучения определилоразвитие в рамках сингулярной оптики своеобразной "кристаллографии", предмет которойсоставляет расчет и анализ характеристик фазовых сингулярных кристаллов.Остановимся, наконец, на возможности генерации в лазерах регулярных винтовых полей.Эксперименты показали, что такие поля не сложно получать во многих типах лазеров при неслишком высоком превышении порога самовозбуждения.

Вначале на отражающее покрытиеодного из зеркал на оси резонатора наносят маленькое пятнышко из поглощающего материала.Это подавляет возбуждение мод с максимальным значением интенсивности на оси, обладающих,как правило, наибольшим усилением. Затем уменьшают размеры внутрирезонаторной диафрагмыдо тех пор, пока излучение лазера на выходе не примет кольцевую форму (см.

рис. 2.7.7, а). Это иесть пучок с винтовой структурой структурой волнового фронта. Его интерферограмма приведенана рис. 2.7.7, б. Ее сравнение с расчетной интерференционной структурой на рис. 2.7.1,а позволяет утверждать, что в центре сфотографированного пучка находится ВД с топологическимзарядом, равным единице. Варьируя размеры поглощающей зоны на поверхности зеркала ивнутрирезонаторной диафрагмы, в принципе можно получать регулярные винтовые моды с болеевысоким топологическим зарядом. То, что лазер в таких условиях генерирует лишь одну из двухвозможных винтовых мод (правую или левую) объясняется неравенством их потерь. Вблизипорога самовозбуждения из-за всегда присутствующих слабых паразитных отражений отэлементов лазера добротность одной из винтовых мод может случайным образом оказаться выше,и в результате межмодовой конкуренции в резонаторе будет формироваться мода,соответствующая ВД определенного знака.

При увеличении накачки лазера и значительномпревышении порога самовозбуждения указанные факторы нивелируются, и появляется мода спротивоположной закруткой. Интерферируя между собой, моды будут формировать поле,описываемое формулой (2.1.26) с нулевым значением индекса р. Такое поле характеризуетсясистемой располагающихся по диаметру пучка узловых линий, количество которых соответствуеттопологическому заряду  . В качестве иллюстрации на рис. 2.7.7, вприведено поле данного типас  =5.Рис 2.7.7. Стуктура поля регулярной винтовой моды (а,б) и суперпозиции винтовыхмод (в); а,в - распределение интенсивности, б - интерферограмма.Регулярные винтовые поля, возбуждаемые в лазерных резонаторах, допускают довольно простуюгеометрооптическую интерпретацию, если им поставить в соответствие объемные лучевыепакеты.

В отличие от плоского пакета, рассмотренного в разделе 2.2.1, точки отражения луча назеркалах в объемном пакете располагаются по окружности (рис. 2.7.8).Расчеты с использованиемаппарата матричной оптики показывают, что его структура определяется через g-факторырезонатора посредством выражения(2.7.9)где N - число отражений луча на каждом из зеркал, К - число оборотов луча по азимуту,необходимых для полного замыкания траектории.Рис 2.7.8. Структура объемного лучевого пакета.Если в направлении лучей, формирующих объемный лучевой пакет, распространяется гауссовпучок, то принято говорить о возбуждении в резонаторе винтовой многоходовой моды (М-моды).При достаточно большом расстоянии между точками поворота лучей на зеркалах распределениеполя каждой из М-мод в плоскости зеркал будет представлять круговую систему пятен с гауссовойформой распределения интенсивности. Возбуждение в резонаторе винтовых М-мод весьмашироко используется в лазерной технике для съема энергии с лазерно-активных сред кольцевойформы.

Примером может служить организация оптического тракта коаксиального СО2-лазера.Упрощенная схема коаксиального СО2-лазера приведена на рис. 2.7.9.Активная среда возбуждается ВЧ разрядом в промежутке между двумя цилиндрическимиэлектродами 2 и 3. Устойчивый резонатор, образованный зеркалами 1 и 4, обеспечиваетвозбуждение М-мод с круговым расположением световых пятен на зеркалах. Их образующиепучки распространяются в межэлектродном зазоре, формируя внутрирезонаторное поле скольцевой геометрией.

Для вывода излучения одно из зеркал изготовляется полупрозрачным; вряде случаев вывод энергии осуществляется через радиальную полупрозрачную зону или щель наодном из зеркал.Мощные вихревые пучки с кольцевой формой, генерируемые в лазерах, широко используются влазерной технологии обработки материалов, так как создают более равномерное распределениетемпературы.

Кроме того, при импульсной генерации вихревого пучка появляется возможностьпропускать его через воздушную среду в волноводном режиме, исключающем его дифракционноерасплывание. Это связано с тем, что из-за обращения интенсивности в нуль в центре пучкатемпература воздуха на оси пучка оказывается ниже (а показатель преломления выше), чем востальных областях его сечения. Тем самым создаются условия для постоянной подфокусировкипучка в процессе его распространения.Рис 2.7.9. М - мода в резонаторе коаксильного С02 -лазера: 1,4 - зеркала резонатора; 2,3 -цилиндрические электроды.Отметим в заключение, что изучение винтовой дислокационной формы волновых фронтовприобрело в последнее время актуальность не только в области оптических исследований, но и вдругих разделах физики, в которых большую роль играют волновые процессы.

Характеристики

Список файлов лекций