velikol.ru
1




На основных направлениях науки
54

Доктор физико-математических наук В. И. БЕСПАЛОВ,

кандидат физико-математических наук Г. А. ПАСМДНИК

ОБРАЩЕНИЕ

ВОЛНОВОГО

ФРОНТА СВЕТА

И НОВЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ

ЛАЗЕРНОЙ ОПТИКИ

Одна из важнейших характеристик лазерного из­лучения — его расходимость, или телесный угол, в пределах которого сконцентрирована основная часть энергии оптического излучения. Чем меньше расходимость световых пучков, тем больше дальность действия линий связи, оптических дальномеров и т. д. Уменьшение расходимости становится принципиально важным, когда требуется достичь предельно-высокой концентрации оптической энергии или мощности на мишенях, имеющих малые угловые размеры либо из-за небольшой площади их поверхности, либо из-за значительной удаленности от источника излу­чения.

Наименьшая расходимость светового пучка диаметра D лимитируется так называемым дифракционным пределом, определяемым приближенным соотношением 6Д=Я//), где X — длина волны излучения. Однако реальная расходимость лазерного пучка близка к дифракционной только в том слу­чае, когда поверхность его волнового фронта плоская. Создание плоской поверхности волнового фронта у световых пучков небольшого (несколько миллиметров) диаметра, как правило, не вызывает особых затруднений, однако при увеличении диаметра трудность формирования пучков с пре­дельно малой (дифракционной) расходимостью резко возрастает. Это свя­зано как со сложностью изготовления совершенных (безаберрационных) оптических элементов, так и с изменением их свойств при пропускании лазерного излучения.

Особенно усложняется задача формирования плоского волнового фронта у высокоэнергетичных и мощных световых пучков. При достигну­том на 5—7 порядков увеличении энергии лазерных импульсов яркость излучения (интенсивность волны в единице телесного угла), характери­зующая возможность фокусировки света на мишени с малыми угловыми размерами, увеличилась всего на 1—2 порядка. По этой причине прогресс в разработке методов направленной передачи лазерного излучения проис­ходил гораздо медленнее, чем увеличение его генерации.

Для устранения возникающих (например, в процессе усиления) иска­жений поверхности волнового фронта лазерных пучков в конце 60-х — начале 70-х годов были предложены специальные методы коррекции поперечной структуры оптического излучения, в основе которых лежит

^ Обращение волнового фронта света и лазерная оптика 55

явление обращения волнового фронта (ОВФ) света'. В процессе ОВФ происходит формирование распространяющегося навстречу исходному све­тового пучка, в поперечной структуре которого все пространственные рас­пределения исходной волны воспроизводятся в обратной последователь­ности. Не вдаваясь в детали, можно сказать, что процесс ОВФ эквивален­тен отражению от своеобразного зеркала, у которого каждый элемент по­верхности перпендикулярен падающему на него лучу. Если волновой фронт излучения изменяется во времени, поверхность такого зеркала так­же должна изменять форму, каждый раз подстраиваясь под падающее излучение.

Обращение волнового фронта имеет наибольшее практическое значе­ние, когда оно осуществляется практически безынерционно, то есть в ре­альном масштабе времени.

В этом случае высоконаправлепный световой пучок, пропущенный через неоднородный, изменяющий свои оптические свойства квантовый усилитель и отраженный с обращением волнового фронта, компенсирует за время обратного прохода через тот же усилитель искажения попереч­ной структуры, восстанавливая первоначальную направленность. Таким образом, энергию, запасенную в квантовом усилителе, удается вложить в высоконаправленный световой пучок.

Создание мощных лазерных систем с ОВФ важно не только с точки зрения генерации высоконаправленных световых потоков. Такие системы нужны для решения и других задач, где используются предельные воз­можности лазерной оптики. Например, как уже говорилось, для того чтобы сосредоточить оптическое излучение мощного высоконаправленного лазе­ра на мишени очень малых (порядка длины волны) размеров, нужно при­менять крупную безаберрационную оптику, что связано с большими труд­ностями. Задача еще более усложняется в случае, когда на пути пучка встречаются оптические неоднородности. Использование лазерной систе­мы с ОВФ позволяет относительно просто преодолевать эти трудности и без применения прецизионной оптики направлять все излучение на ми­шень через оптически неоднородную среду. Для этого мишень подсвечи­вается лазерным источником, и часть рассеянного света перехватывается, усиливается и затем отражается назад с ОВФ. После прохождения уси­лителя в обратном направлении излучение имеет такую кривизну волно­вого фронта, которая обеспечивает фокусировку практически всего света на мишень с компенсацией искажений, обусловленных оптическими неод-нородностями на пути между мишенью и лазерной системой.

Таким образом, лазерная система с ОВФ позволяет формировать мощ­ный световой пучок такой поперечной структуры, которая нужна для оптимального использования этого излучения. Волновой фронт может быть плоским или близким к сферическому, или же иметь структуру, благодаря которой компенсируется влияние оптических неоднородностей.

Операция формирования светового пучка, имеющего обращенный от­носительно исходного волновой фронт, может быть осуществлена либо с помощью электрооптической (или оптико-механической) техники с пред­варительным анализом волнового фронта исходного пучка, либо на основе использования нелинейных волновых процессов, при этом анализ волно­вого фронта и его обращение происходят одновременно и автоматически. В лазерной технике более широко используется второй способ, преиму -ществом которого является относительная простота его реализации и ма­лая инерционность.

1 Об исторических аспектах исследований методов ОВФ см.: ^ Зельдович Б. Я., Пилипецкий Н. Ф., Шкунов В. б.-Успехи физ. наук, 1982, т. 138, вып. 2, с. 249.

На основных направлениях науки

56

Об интересе к исследованию и использованию ОВФ в нелинейных сре­дах свидетельствует, в частности, рост числа публикаций по этой темати­ке: в последнее время (1979—1982 гг.) публикуется порядка 100—150 ста­тей в год. Цель данной статьи — рассказать об основных достижениях и проблемах в этой области.

Физические механизмы ОВФ света и разработка соответствующих методов

В основе ОВФ света в нелинейных средах лежат процессы трехволнового2 и четырехволиового3 параметрического смеше­ния световых волн, а также различные типы вынужденного рассеяния,, в первую очередь вынужденное рассеяние Мандельштама — Бриллюэна (ВРМБ) 4.

Параметрическое смешение световых волн реализуется в средах с квад­ратичной, кубичной или еще более сильной зависимостью нелинейной поляризации вещества от амплитуды поля световой волны. Соответствую­щие процессы в квадратичных средах называют трехволновыми, а в ку­бичных — четырехволновыми. Для осуществления ОВФ квадратичные или кубичные среды просвечиваются соответственно одной или двумя встреч­ными волнами (в голографии эти волны называют опорными, в нелиней­ной оптике — накачками). Кроме того, на нелинейную среду направляют так называемую предметную (или сигнальную) волну, у которой необхо­димо обратить волновой фронт. При взаимодействии опорной и предмет­ной волн из-за нелинейной поляризации в среде возбуждается новая волна.

Для ОВФ в квадратичных средах выбирают такую частоту опорной волны, чтобы она вдвое превышала частоту предметной. В этом случае рожденная волна распространяется относительно опорной под одинако­вым с предметной волной углом, но зеркально-симметрично (рис. 1). Если за нелинейной средой перпендикулярно к опорной волне расположено плоское зеркало, то, отражаясь от него, возбужденная волна изменит свое направление так, что приближенно станет обращенной относительно ис­ходной предметной волны.

При взаимодействии волн в кубичных средах частоты опорных и пред­метной волн выбирают близкими между собой. В этом случае возбужден­ная новая волна распространяется в направлении, противоположном на­правлению распространения предметной волны и имеет обращенный отно­сительно этой волны волновой фронт (рис. 2).

В обоих рассмотренных случаях в обращенную волну перекачивается энергия из опорных волн. Коэффициент отражения R, равный отношению мощностей обращенной и исходной (предметной) волн, может достигать значений, существенно превышающих единицу. Для параметрических ме­тодов характерно то, что они беспороговые, то есть коэффициент отраже­ния R слабо зависит от амплитуды предметной волны.

Для реализации ОВФ, основанного на вынужденном рассеянии, опор­ные волны не требуются. В этом случае происходит так называемое самооб­ращение волнового фронта. В настоящее время для самообращения волно­вого фронта наиболее широко используется ВРМБ. В этом процессе доста-

2 См.: Yariv A.— Opt. Comm., 1977, v. 21, N 1, p. 49.

3 См.: Kogelnik N. W.~ Patent N 3, 449.577 (USA) filled 23.10.1969; Woerdman.
L
. P.—Opt. Comm., 1970, v. 2, p. 212; Ивакин Е. В., Рубанов А. С, Степанов Б. П.—
Докл. АН СССР, 1971, т. 196, № 3, с. 567.

4 См.: Зельдович В. Я., Поповиче в В. П., Р агульский В. В., Файзуллов Ф. С.
Письма в ЖЭТФ, 1972, т. 15, № 3, с. 160.



'Обращение волнового фронта света и лазерпая оптика

57

точно мощный пучок световых лучей, проходя через прозрачное вещество, отражается от тепловых гиперзвуковых волн, бегущих в ту же сторону, что и световой пучок. При этом частота отраженного излучения смещается в красную (стоксову) сторону. Из-за электрострикционного взаимодейст­вия мощной прямой волны с направленной ей навстречу отраженной волной происходит раскачка гиперзвука и, как следствие, усиление отра­женной волы. Эффективность такой раскачки неодинакова в различных точках пространства. Больше всего она там, где максимумы интенсивности прямой и отраженной волн совпадают. Протяженность области, где эти максимумы совпадают, наибольшая, если волновой фронт у отраженной волны тот же, что и у прямой. Именно в этом случае темп нарастания ги­перзвука и отраженной от него световой волны наивысший (он примерно вдвое больше, чем в случае встречных волн с другими конфигурациями5). Таким образом, по самой физической природе процесса ВРМБ гиперзву­ковая волна стремится сформироваться такой, чтобы отраженные от нее световые лучи шли строго назад. Другими словами, гиперзвуковая волна играет роль гибкого ОВФ-зеркала, создаваемого самим светом. Поскольку, как уже отмечалось, при вынужденном рассеянии происходит самообра­щение волнового фронта света, коэффициент отражения здесь всегда мень­ше единицы.

Более сложным (в отношении и физики процесса, и возможности его реализации) является ОВФ при четырехволновом взаимодействии световых волн с резонансно-возбужденным гиперзвуком6. В этом случае частоты предметной и первой из опорных волн различаются на частоту гиперзву­ка, который резонансно возбуждается ими в объеме нелинейной среды. Рассеяние второй (встречной) опорной волны на возбужденном гипер­звуке приводит к «рождению» новой волны с обращенным (относительно предметной) волновым фронтом, которая может далее усиливаться в поле опорной волны. Физический механизм усиления — тот же, что и при уси­лении стоксовой волны за счет вынужденного рассеяния Мандельштама — Бриллюэна. Отличие лишь в том, что происхождение затравочной гипер­звуковой волны связано здесь не с тепловыми шумами среды, а с возбуж­дением гиперзвука из-за электрострикционного взаимодействия предмет­ной и первой опорной волн.

Поскольку частоты всех взаимодействующих с гиперзвуком световых волн различаются, паразитные компоненты волн накачек, связанные с их

5 См.: ^ Сидорович В. Г.— ЖТФ, 1976, т. 46, № 10, с. 2168; Белъдюгин И. М., Га­
лушкин М. Г., Земское Е. М., Мандросов В. И.—
Квант, электроника, 1976, т. 3, № 11,
с. 2467.

6 См.: ^ Беспалов В. П., Бетин А. А., Пасманик Г. А., Шилов А. А.— Письма в
ЖТФ, 1979, т. 5, № 4, с. 242.

На основных направлениях науки

58

рассеянием на торцах кюветы, оптических неоднородностях среды, не мо­гут служить фоном, ухудшающим качество обращения волнового фронта. В данном случае интенсивность предметной волны ограничивается уров­нем не «технических» (связанных с неоднородностью участвующих во взаимодействии волн), а лишь тепловых шумов среды. Именно это позво­ляет обеспечить достижение высокой чувствительности и больших коэф­фициентов отражения устройств обращения волнового фронта на основе четырехволновых гиперзвуковых обращающих зеркал.

Не останавливаясь на других разновидностях ОВФ в нелинейных сре­дах, а также на разновидностях описанных выше процессов, отметим, что в настоящее время выявлены наиболее типичные механизмы ОВФ, понята их физическая природа, разработан описывающий их математический аппарат. Теоретически и экспериментально определены условия наблюде­ния эффектов ОВФ, исследована их зависимость от пространственно-вре­менной и поляризационной структуры света, свойств нелинейной среды. Эти исследования позволили оптимизировать методы ОВФ световых пучков.

Было выяснено, что для эффективного использования ОВФ-зеркал их параметры должны удовлетворять ряду требований.

Одно из них — высокая точность обращения, иначе говоря, большая доля обращенной волны во всем отраженном излучении. Достижению вы­сокой точности обращения препятствуют как специфические особенности самого нелинейного взаимодействия пространственно-неоднородных волн, так и более очевидные факторы: ограниченность апертуры оптических элементов, неточности сопряжения опорных волн и т. д.

Другой важный фактор — повышение коэффициента отражения ОВФ-зеркал, что особенно важно в случае, когда мощность подвергаемой обра­щению световой волны относительно мала. Коэффициент отражения мо­жет достигать больших величин лишь в схемах параметрического смеше­ния световых волн.

Большое практическое значение имеет также расширение динамиче­ского диапазона, в котором может быть осуществлено обращение волно­вого фронта света. Имеются в виду диапазоны изменения таких парамет­ров, как энергия и мощность импульса, его длительность, частота несущей, ширина частотного спектра и т. д.

Представляются перспективными зеркала с ОВФ, обладающие свойст­вом невзаимности. У этих зеркал коэффициент отражения R((Hi, со2) све­товой волны частоты coi с преобразованием ее в обращенную волну часто­ты со2 многократно превосходит коэффициент отражения «в обратную сто­рону» Л(со2, (о4), то есть |/?(со2, со4) |<|Д(со,, со2) |. Используя такие зерка­ла, можно избежать самовозбуждения излучения между беспороговым ОВФ-зеркалом и квантовым усилителем или другими оптическими эле­ментами, которые практически всегда дают паразитное обратное рассея­ние. К невзаимным обращающим зеркалам со смещением частоты отно­сятся, в частности, четырехволновые зеркала на гиперзвуке.

Вообще говоря, в одном устройстве ОВФ не удается сочетать все нуж­ные качества, поэтому для каждой конкретной задачи приходится огра­ничиваться улучшением лишь отдельных параметров устройства.

В таблице приведены некоторые характеристики импульсных ОВФ-зеркал на основе четырехволнового взаимодействия света с гиперзвуком и ВРМБ (т=30 не, Я,=1,0 мкм).

Как видно из таблицы, в настоящее время для коротких лазерных импульсов с указанными значениями т и X с помощью четырехволновых гиперзвуковых об­ращающих зеркал достигаются весьма высокие (~105) коэффициенты отражения.

^ Обращение волнового фронта света и лазерная оптика

59



Эти же зеркала позволяют реализовать и сравнительно большой (по мощности) коэффициент преобразования опорной волны в предметную (значения т) = 15% п0~ лучены в условиях, когда коэффициент отражения Д=103). Точность обращения %, измеренная в режиме но очень высоких (Я«20) коэффициентов отражения, составляет около 70%. Четырехволновые гиперзвуковые обращающие зеркала име­ют довольно широкий динамический диапазон — в экспериментах мощность пред­метной волны варьировалась примерно от 1 Вт до 1 МВт. Однако для этих зеркал интенсивности опорных волн / весьма велики (~10s Вт/см2). Реализованные в на­стоящее время углы видения 0 в четырсхволновых гиперзвуковых обращающих зер­калах примерно на два порядка больше дифракционного угла 9Д, определяемого апертурой опорного пучка.

В процессах ВРМБ в сжатых газах достигнуты значения Д=г|=0,9. Точность обращения волнового фронта при этом также весьма велика (до 95%). Мощность подвергаемой обращению световой волны ограничена снизу порогом вынужденно­го рассеяния, сверху — влиянием других побочных эффектов. Поэтому динамиче­ский диапазон здесь не столь велик (порядка 200). Интенсивности используемых волн также довольно значительны. Превышение расходимости светового пучка над дифракционным пределом может достигать высоких величин (~800).

Сравнивая характеристики, достигнутые в обоих обсуждаемых методах ОВФ, можно заключить, что четырехволновые гиперзвуковые обращающие зеркала наиболее подходят для ОВФ слабых импульсов предметной вол­ны, а зеркала на основе ВРМБ — для ОВФ мощных лазерных импульсов.

Следует отметить, что сейчас начинают интенсивно развиваться мето­ды ОВФ акустического излучения. В этой области получено много инте­ресных результатов, в частности, удалось достичь очень высоких коэф­фициентов отражения7 (й=4106).

Системы ОВФ в лазерной оптике и особенности их использования

Исследования, направленные на создание ла­зеров с ОВФ-зеркалами с целью оптимизации параметров их излучения, ведутся и в нашей стране, и за рубежом. Разработками в этой области занимается ряд институтов Академии наук СССР (Физический институт им. П. Н. Лебедева, Институт общей физики, Институт прикладной фи­зики, Институт прикладной механики, Институты физики АН БССР и

7 См.: ^ Брысев А. П., Бункин Ф. В., Власов Д. В., Назаров Ю. Е.— Письма в ЖТФ, 1982, т. 8, № 9, с. 546; Бункин Ф. В., Власов Д. В.— Вестник АН СССР, 1982, Н 11, с. 52.

На основных направлениях науки

60

АН ЛитССР) и другие организации. Использование ОВФ позволило со­здать лазерные системы с параметрами, недостижимыми без его приме­нения, а также относительно просто получить излучение, для генерации которого без ОВФ требовалась довольно сложная оптика.

Например, при использовании зеркала на вынужденном рассеянии Мандельштама — Бршшюэна и кас,када двухпроходовых неодимовых уси­лителей на одноканальной лазерной установке была достигнута рекордная яркость оптического излучения8 — 5 1018 Вт/см2 ср. Таким же образом удалось повысить на два порядка яркость излучения частотно-импульсно­го лазера на кристалле граната невысокого оптического качества9.

Была осуществлена безынерционная компенсация динамических (из­меняющихся во времени) фазовых искажений активной среды йодного* лазера10. С помощью зеркал, обращающих волновой фронт, на макете девятиканальной установки были апробированы способы суммирования излучения многоканальных лазерных систем", и удалось в несколько де­сятков раз повысить яркость излучения.

К настоящему времени с помощью ОВФ удалось резко улучшить па­раметры излучения двух типов лазеров — неодимового и йодного, получить предельно высокие значения яркости. Без сомнения, перспективно ис­пользование ОВФ также в ультрафиолетовом (для эксимерных лазеров) и ближнем инфракрасном диапазонах. Следует ожидать, что с помощью обращения волнового фронта удастся увеличить яркость излучения лазе­ров и среднего инфракрасного диапазона.

На основе ОВФ также разработаны не чувствительные к качеству оптических элементов схемы для получения второй гармоники излучения с плоским волновым фронтом. Экспериментальное использование этих схем позволило повысить более чем на два порядка яркость излучения второй гармоники неодимового лазера при оптически неоднородных эле­ментах удвоения, а также при наличии искажений волнового фронта в; пучке первой гармоники.

ОВФ-зеркала можно использовать для измерений параметров нелиней­ных сред, обработки оптической информации, для управления параметра­ми лазерного излучения. Удалось измерить периоды колебаний и времена релаксации нелинейных «решеток», что важно для выяснения физических механизмов взаимодействия волн. С помощью таких зеркал на основе вы­нужденного рассеяния Мандельштама — Бриллюэна предложена методика умножения фазы оптических сигналов без использования опорных волн.

Одной из актуальных задач является применение ОВФ-зеркал для автофокусировки мощных лазерных импульсов на термоядерные мишени. Возможны два пути ее решения. Один из них — увеличение яркости ла­зерного излучения, что способствует более острой его фокусировке на мишень, другой — самонаведение излучения на предварительно подсвечен­ную мишень. Этот путь технически более труден, чем первый. Дело в том, что подсветка термоядерной мишени во избежание ее преждевременного разрушения должна осуществляться достаточно точно маломощным ла­зерным импульсом (с энергией ~ 10~6 Дж). Но при этом на вход лазерной системы попадает очень слабый блик от мишени, мощность которого даже после усиления в 103—104 раз недостаточна для эффективного возбужде-

8 См.: ^ Ефимков В. Ф., Зубарев И. Г., Котов А. В. и др.— Квант, электроника,.
1980, т. 7, № 2, с. 372.

9 См.: Зубарев И. Г., Миронов А. Б., Михайлов С. И.— Квант, электроника,

1980, т. 7, № 9, с. 20-35.

10 См.: Долгополое Ю. В., Комаревский В. А., Кормер С. Б. и др.— ЖЭТФ, 1979,
т. 76, № 3, с. 908.

11 См.: Басов Н. Г., Ефимков В. Ф., Зубарев И. Г. и др.— Квант, электроника,

1981, т. 8, № 10, с. 2151.

^ Обращение волнового фронта света и лазерная оптика 61

ния вынужденного рассеяния Мандельштама — Бриллюэна и насыщения усилителей во время обратного прохода через них обращенной волны. ОВФ слабых сигналов от мишени может быть реализовано с помощью четырехволнового смешения. При этом необходимо, чтобы коэффициент отражения ОВФ-зеркала превышал 103—104. Такое усиление достигнуто-только в четырехволновом гиперзвуковом обращающем зеркале, и поэтому оно, в принципе, может подойти для самонаведения излучения мощной лазерной системы на мишень по рассеянному ею свету. Следует, однако,, заметить, что создание подходящих опорных волн для накачки такого зер­кала представляет довольно сложную задачу.

Самонаведение излучения на мишень для достижения лазерного тер­моядерного синтеза, а также в ряде других схем может быть осуществлено не только за счет предварительной подсветки мишени. Перспективными представляются схемы, позволяющие возбуждать между мишенью и источ­ником излучения самоподстраивающийся (адаптивный по отношению к оптически неоднородной среде) световой пучок, волновой фронт которого-скорректирован так, чтобы обеспечить оптимальный перенос энергии от лазерной системы на мишень. Формирование пучка с требуемым волно­вым фронтом достигается в условиях, когда мишень и ОВФ-зеркало (или два ОВФ-зеркала, оптически связанные через мишень) образуют адаптив­ный резонатор, самовозбуждение которого приводит к генерации излуче­ния, фокусирующегося непосредственно на мишень. Исследования по созданию таких схем еще только начинаются, и их разработка, по-види­мому, окажет существенное влияние на развитие лазерной оптики.

Важная задача в области ОВФ-света заключается в расширении ди­апазона длин волн, где возможно его осуществление. Наиболее труден для освоения средний инфракрасный диапазон, так как в этом диапазоне-сравнительно немного нелинейных сред, пригодных для ОВФ.

Весьма существенным является экспериментальное достижение пре­дельно минимальной мощности светового сигнала, когда квантованность оптических полей накладывает принципиальные ограничения на возмож­ность обращения их волнового фронта. Очень интересно также осуществ­ление генерации лазерного излучения в протяженных резонаторах с ОВФ-зеркалами в условиях больших дифракционных потерь.

Укажем, наконец, на возможности использования ОВФ для измерения слабых искажений волнового фронта широкоапертурных световых пучков, регистрации малых вариаций длины больших трасс, видения через слу­чайно-неоднородные среды, выделения сигналов на фоне шумов и т. д.

Хотя ОВФ-зеркала находят все более широкое применение, серийно они пока еще не выпускаются. С одной стороны, это связано с тем, что-остаются невыясненными некоторые физические аспекты действия ОВФ-зеркал, в частности особенности их поведения в режиме насыщения и в условиях высокоэнергетического излучения, возможности сопряжения бес­пороговых зеркал с оптическими усилителями, шумовые характеристики этих зеркал. Кроме того, специфика ОВФ-зеркал заключается в использо­вании двухпроходовых оптических схем. Эти схемы эффективно работают при наличии поляризационных развязок, комплектующие элементы к ко­торым выпускаются пока еще в очень небольших количествах.

Итак, в настоящее время на основе явления обращения волнового фронта создано новое поколение лазерных устройств и систем, не чувстви­тельных к оптическому качеству их элементов. Без сомнения, в ближай­шие годы в этой области удастся получить новые интересные результаты, способствующие разработке оригинальной оптической техники, созданию-уникальных лазерных систем.

УДК 535