Оптические схемы на основе конических элементов для формирования протяженных плазменных каналов в атмосфере.
“Îïòè÷åñêèé æóðíàë”
Òîì 75, ¹ 9, ñåíòÿáðü 2008
ÑÎÄÅÐÆÀÍÈÅ
ËÀÇÅÐÍÀß ÔÈÇÈÊÀ È ÒÅÕÍÈÊÀ
3 Îïòè÷åñêèå ñõåìû íà îñíîâå êîíè÷åñêèõ ýëåìåíòîâ äëÿ ôîðìèðîâàíèÿ ïðîòÿæåííûõ ïëàçìåííûõ êàíàëîâ â àòìîñôåðå Àãåé÷èê À.À., Áåëîáðàãèí Á.À., Ðåçóíêîâ Þ.À., Ñàâåëüåâà Â.Ï., Ñòåïàíîâ Â.Â.
8 Èññëåäîâàíèå âëèÿíèÿ ñàìîïîãëîùåíèÿ â ýðîçèîííîé ëàçåðíîé ïëàçìå Ge, In, Pb, Ga, Cu íà åå ñïåêòðàëüíûå õàðàêòåðèñòèêè ×ó÷ìàí Ì.Ï., Øóàèáîâ À.Ê.
14 Çàâèñèìîñòü áèîëîãè÷åñêîé àêòèâíîñòè íèçêîèíòåíñèâíîãî ëàçåðíîãî èçëó÷åíèÿ îò ÷àñòîòû åãî ìîäóëÿöèè Ïëàâñêèé Â.Þ., Áàðóëèí Í.Â.
ÈÊÎÍÈÊÀ – ÍÀÓÊÀ ÎÁ ÈÇÎÁÐÀÆÅÍÈÈ
23 Ïðîñòðàíñòâåííî-÷àñòîòíûå ôóíêöèè öâåòîâûõ êàíàëîâ îðãàíà çðåíèÿ Âàñüêîâñêèé À.À.
ÃÎËÎÃÐÀÔÈß
29 Âûáîð ïàðàìåòðîâ ñèíòåçà ãîëîãðàìì-ïðîåêòîðîâ äëÿ ôîòîëèòîãðàôèè Êîðåøåâ Ñ.Í., Íèêàíîðîâ Î.Â., Êîçóëèí È.À.
ÎÏÒÈ×ÅÑÊÎÅ ÏÐÈÁÎÐÎÑÒÐÎÅÍÈÅ È ÒÅÕÍÎËÎÃÈß
35 Àäàïòèâíûå ëèíçû íà îñíîâå æèäêèõ êðèñòàëëîâ Íåâñêàÿ Ã.Å., Òîìèëèí Ì.Ã.
49 Âîëîêîííûé èíòåðôåðîìåòð Ìàõà–Öåíäåðà äëÿ èçìåðåíèé ñïåêòðàëüíûõ õàðàêòåðèñòèê îäíî÷àñòîòíûõ ïîëóïðîâîäíèêîâûõ ëàçåðîâ äèàïàçîíà 1,32 ìêì è 1,55 ìêì Áóëãàêîâà Ñ.À., Äìèòðèåâ À.Ë.
54 Àíàëèç òðåáîâàíèé ê ïðèåìíèêàì èçëó÷åíèÿ äëÿ îïòè÷åñêîé êàìåðû ïîëÿ êîñìè÷åñêîãî òåëåñêîïà Ò-170Ì ïðîåêòà «Ñïåêòð-ÓÔ» Ìåëüíèêîâ Â.Ã., Øóãàðîâ À.Ñ.
62 Ïðåöèçèîííûå äàëüíîìåðû íà îñíîâå äâóõâîëíîâîãî èíæåêöèîííîãî ëàçåðà Êîçëîâ Â.Ë.
67 Ðåøåíèå ïðîáëåìû òî÷íîãî ïîçèöèîíèðîâàíèÿ îáúåêòà â ëàçåðíîì ñêàíèðóþùåì äèôôåðåíöèàëüíî-ôàçîâîì àáåððîìåòðå Ãðèãîðóê Â.È., Ïèëüãóí Þ.Â., Ñìèðíîâ Å.Í.
74 Îñîáåííîñòè ïðèìåíåíèÿ ÏÇÑ-ôîòîïðèåìíèêîâ â àêóñòî-îïòè÷åñêèõ ñðåäñòâàõ îáðàáîòêè èíôîðìàöèè Øèáàåâ Ñ.Ñ.
ÎÏÒÈ×ÅÑÊÎÅ ÌÀÒÅÐÈÀËÎÂÅÄÅÍÈÅ È ÒÅÕÍÎËÎÃÈß
78 Àíèçîòðîïèÿ îïòè÷åñêèõ ñâîéñòâ è íåîäíîðîäíîñòü ïëàñòè÷åñêè äåôîðìèðîâàííûõ êðèñòàëëîâ ãåðìàíèÿ Ðîøàê Å.Í., Øèðøíåâ Ï.Ñ., Ïðæåâóñêèé À.Ê.
83 Èññëåäîâàíèå ïðîöåññà ïîëèðîâàíèÿ ïîëèêðèñòàëëè÷åñêîãî ñåëåíèäà öèíêà ñ èñïîëüçîâàíèåì ïîëèðîâàëüíûõ ñìîë íà îñíîâå êàíèôîëè Ãàâðèùóê Å.Ì., Âèëêîâà Å.Þ., Òèìîôååâ Î.Â., Êóøíèð Ñ.Ð., Ðàäáèëü Á.À.
90 Îñîáåííîñòè ïîëóïðîâîäíèêîâûõ ìàòåðèàëîâ êàê îïòè÷åñêèõ ñðåä äëÿ èíôðàêðàñíîé îáëàñòè ñïåêòðà Àñòàôüåâ Í.È., Íåñìåëîâà È.Ì., Íåñìåëîâ Å.À.
ÈÍÔÎÐÌÀÖÈß
94 Êîëëåêòèâíàÿ ìîíîãðàôèÿ “Îïòèêà íàíîñòðóêòóð” 95 Ìîíîãðàôèÿ “Îïòè÷åñêèå ìåòîäû âèçóàëèçàöèè ãàçîâûõ ïîòîêîâ” 96 Ìîíîãðàôèÿ “Âûäàþùèåñÿ ðóññêèå ó÷åíûå Ì.Â. Ëîìîíîñîâ, Ä.Ñ. Ðîæäåñòâåíñêèé,
Ñ.È. Âàâèëîâ è íàó÷íàÿ øêîëà Ãîñóäàðñòâåííîãî îïòè÷åñêîãî èíñòèòóòà”
Ñäàíî â íàáîð 24.06.08. Ïîäïèñàíî â ïå÷àòü 00.00.08. Ôîðìàò áóìàãè 60×84/8. Áóìàãà îôñåòíàÿ ¹ 1. Ãàðíèòóðà Times New Roman. Ïå÷àòü îôñåòíàÿ. Çàêàç ¹ 00. Îòïå÷àòàíî â ÎÎÎ «ÖÒÒ». Òèðàæ 300 ýêç. Öåíà ïîäïèñíàÿ. Àäðåñ òèïîãðàôèè: 199034, Ñàíêò-Ïåòåðáóðã, Áèðæåâàÿ ëèíèÿ, ä. 16.
Êà÷åñòâî ãðàôè÷åñêèõ ìàòåðèàëîâ ñîîòâåòñòâóåò ïðåäñòàâëåííûì îðèãèíàëàì. Íàó÷íûé ðåäàêòîð Î. Í. Êîíîíîâà Êîððåêòîð Ý.À. Ðîæäåñòâåíñêàÿ
ËÀÇÅÐÍÀß ÔÈÇÈÊÀ È ÒÅÕÍÈÊÀ
ÓÄÊ 535.31.2:535.42
ÎÏÒÈ×ÅÑÊÈÅ ÑÕÅÌÛ ÍÀ ÎÑÍÎÂÅ ÊÎÍÈ×ÅÑÊÈÕ ÝËÅÌÅÍÒΠÄËß ÔÎÐÌÈÐÎÂÀÍÈß ÏÐÎÒßÆÅÍÍÛÕ ÏËÀÇÌÅÍÍÛÕ ÊÀÍÀËΠ ÀÒÌÎÑÔÅÐÅ
© 2008 ã. © 2008 ã.
À. À. Àãåé÷èê*; Á. À. Áåëîáðàãèí**, äîêòîð òåõí. íàóê; Þ. À. Ðåçóíêîâ*, äîêòîð òåõí. íàóê; Â. Ï. Ñàâåëüåâà*; Â. Â. Ñòåïàíîâ*, êàíä. ôèç.-ìàò. íàóê
** ÔÃÓÏ ÍÈÈ êîìïëåêñíûõ èñïûòàíèé îïòèêî-ýëåêòðîííûõ ïðèáîðîâ è ñèñòåì, Ñîñíîâûé Áîð, ** Ëåíèíãðàäñêàÿ îáëàñòü
** ÔÃÓÏ “ÃÍÏÏ “Ñïëàâ”, Òóëà ** Å-mail: yuri@sbor.net
Ðàññìîòðåíà íåòðàäèöèîííàÿ ôîðìèðóþùàÿ îïòè÷åñêàÿ ñõåìà äëÿ ãåíåðàöèè ïðîòÿæåííûõ ïëàçìåííûõ êàíàëîâ â àòìîñôåðå ñ èñïîëüçîâàíèåì èìïóëüñíûõ ÑÎ2-ëàçåðîâ, ñîñòîÿùàÿ èç âûïóêëîãî çåðêàëüíîãî àêñèêîíà ñ ïðÿìîëèíåéíîé îáðàçóþùåé è ðåòðàíñëèðóþùåé ñõåìîé èç 2-õ ñôåðè÷åñêèõ îïòè÷åñêèõ ýëåìåíòîâ. Ñõåìà ïîçâîëÿåò ôîðìèðîâàòü ïåðåòÿæêó Áåññåëåâà ïó÷êà íà çíà÷èòåëüíîì óäàëåíèè îò àêñèêîíà. Ïðåäëîæåíà àíàëèòè÷åñêàÿ ìîäåëü ðàñ÷åòà ðàçðàáîòàííîé îïòè÷åñêîé ñõåìû.
Êîäû OCIS: 120.4820, 140.3300.
Ïîñòóïèëà â ðåäàêöèþ 20.03.2008.
Ââåäåíèå
Ôîðìèðîâàíèå ïðîòÿæåííûõ ôîêàëüíûõ ðàñïðåäåëåíèé ëàçåðíîãî ïó÷êà ñ çàäàííûì ïðîñòðàíñòâåííûì ðàñïðåäåëåíèåì èíòåíñèâíîñòè èìååò áîëüøîå ïðàêòè÷åñêîå çíà÷åíèå äëÿ ðåøåíèÿ ðÿäà íàó÷íî-òåõíè÷åñêèõ çàäà÷. Ê òàêèì çàäà÷àì îòíîñÿòñÿ: ãåíåðàöèÿ ïðîòÿæåííûõ (äî 100 ì) ïëàçìåííûõ êàíàëîâ â àòìîñôåðå [1] äëÿ ðàçðàáîòêè ëàçåðíûõ ñèñòåì óïðàâëåíèÿ ìîëíèåâûì ðàçðÿäîì, à òàêæå ñîçäàíèå ëàçåðíûõ óñêîðèòåëåé ýëåêòðîíîâ [2], îòëè÷èòåëüíîé îñîáåííîñòüþ êîòîðûõ ÿâëÿåòñÿ âûñîêèé òåìï óñêîðåíèÿ, êîíòðîëèðóåìûé ðåæèì, âûñîêàÿ ÿðêîñòü óñêîðåííîãî ïó÷êà, à òàêæå åãî êà÷åñòâî.
Ïðè ýòîì äîëæíû èñïîëüçîâàòüñÿ ëàçåðû ñ áîëüøîé ýíåðãèåé èçëó÷åíèÿ â èìïóëüñå [3] è êîðîòêîé äëèòåëüíîñòüþ èìïóëüñà [4], à ïðîòÿæåííàÿ ïåðåòÿæêà ëàçåðíîãî ïó÷êà äîëæíà ôîðìèðîâàòüñÿ íà çíà÷èòåëüíîì óäàëåíèè îò ôîðìèðóþùåé îïòè÷åñêîé ñõåìû (ÔÎÑ).  ÷àñòíîñòè, òàêèì ëàçåðîì ìîæåò áûòü òåðàâàòòíûé ïèêîñåêóíäíûé ÑÎ2-ëàçåð [5].
Èçâåñòíî, ÷òî îäíèì èç ñðåäñòâ, ïîçâîëÿþùèõ ñîçäàâàòü ïðîòÿæåííûå ôîêàëüíûå ðàñïðåäåëåíèÿ ñ ïëàâíûì ðàñïðåäåëåíèåì èíòåíñèâíîñòè èçëó÷åíèÿ âäîëü îñè ôîêóñèðîâêè (Áåññåëåâû ïó÷êè), ÿâëÿþòñÿ êîíè÷åñêèå îïòè÷åñêèå ýëåìåíòû (àêñèêîíû). Îñîáåííîñòüþ àêñèêîííîé ôîêóñèðîâêè ÿâëÿåòñÿ “áîêîâàÿ” ïîäâîäêà èçëó÷åíèÿ ê ïåðåòÿæêå. Ýòî ñâîéñòâî ïîçâîëÿåò çíà÷èòåëüíî ñíèçèòü âëèÿíèå ýêðàíèðîâêè ëàçåðíîãî ïó÷êà âîçíèêàþ-
ùåé ïëàçìîé íà ôîðìèðîâàíèå ñïëîøíîãî ïëàçìåííîãî êàíàëà [6].
 äàííîé ðàáîòå îïèñàíà ÔÎÑ, ïîçâîëÿþùàÿ ôîðìèðîâàòü Áåññåëåâû ïó÷êè ñ ðàçëè÷íûì óäàëåíèåì îáëàñòè êîíöåíòðàöèè èçëó÷åíèÿ îò êîíè÷åñêîãî ýëåìåíòà áåç èçìåíåíèÿ óãëà ðàñêðûòèÿ àêñèêîíà. ÔÎÑ ñîñòîèò èç çåðêàëüíîãî àêñèêîíà è ðåòðàíñëèðóþùåé ñèñòåìû, ñîáðàííîé èç òðàäèöèîííûõ îïòè÷åñêèõ ýëåìåíòîâ. Ìîäåëü ñèñòåìû ðàññ÷èòàíà òåîðåòè÷åñêè ñ èñïîëüçîâàíèåì ôîðìàëèçìà ìàòðèö ABCD. Ïðîâåäåííûå ýêñïåðèìåíòû ïî ôîðìèðîâàíèþ ïëàçìåííîãî êàíàëà â àòìîñôåðå ïîçâîëèëè ïðîâåðèòü êàê ïðåäëîæåííûé ìåòîä ôîðìèðîâàíèÿ ïëàçìåííîãî êàíàëà, òàê è ìåòîä ðàñ÷åòà ÔÎÑ.
Ðàñ÷åòíàÿ ìîäåëü
 ðàìêàõ ðàññìàòðèâàåìîé ìîäåëè ÔÎÑ ìîæíî ñôîðìóëèðîâàòü ðÿä èñõîäíûõ ïîëîæåíèé êàê îñíîâó òåîðåòè÷åñêèõ ðàñ÷åòîâ. Âî-ïåðâûõ, äëÿ ôîðìèðîâàíèÿ ïðîòÿæåííûõ ôîêàëüíûõ ðàñïðåäåëåíèé îáû÷íî èñïîëüçóþòñÿ àêñèêîíû ñ ìàëûì óãëîì îòêëîíåíèÿ ëó÷åé îò îïòè÷åñêîé îñè (1° è ìåíåå). Ïî ýòîé ïðè÷èíå ìîæíî âîñïîëüçîâàòüñÿ ìàòåìàòè÷åñêèì àïïàðàòîì ðàñ÷åòà îïòè÷åñêèõ ñõåì â ïàðàêñèàëüíîì ïðèáëèæåíèè. Âî-âòîðûõ, ìîæíî ñóùåñòâåííî ðàñøèðèòü âîçìîæíîñòè ïðèìåíåíèÿ àêñèêîíîâ, åñëè ôîðìèðóåìûå èìè ïó÷êè ïðåîáðàçîâûâàòü îïòè÷åñêîé ñõåìîé, ñîñòàâëåííîé èç òðàäèöèîííûõ îïòè÷åñêèõ ýëåìåíòîâ. Â-òðåòüèõ, äëÿ
“Îïòè÷åñêèé æóðíàë”, òîì 75, ¹ 9, 2008
3
óíèâåðñàëèçàöèè ïðîöåäóðû ðàñ÷åòà ÔÎÑ ìîæíî èñïîëüçîâàòü ôîðìàëèçì ìàòðèö ABCD [7], êîòîðûé ïîçâîëÿåò â âåñüìà ïðîñòîé ôîðìå âûðàçèòü îñíîâíûå èíòåãðàëüíûå ñîîòíîøåíèÿ, âîçíèêàþùèå ïðè ðåøåíèè ïîäîáíûõ çàäà÷.  ñâîèõ ðàñ÷åòàõ àâòîðû îãðàíè÷èâàëèñü âû÷èñëåíèåì èíòåíñèâíîñòè ñâåòîâûõ ïîëåé òîëüêî íà îïòè÷åñêîé îñè ñèñòåìû.
Ðàññìîòðèì ñëó÷àé îñâåùåíèÿ àêñèêîíà ìîíîõðîìàòè÷åñêîé âîëíîé, ðàñïðîñòðàíÿþùåéñÿ âäîëü
îïòè÷åñêîé îñè Z. Ìíîæèòåëü exp(–iωt) îïóñêàëñÿ è âîëíà õàðàêòåðèçîâàëàñü äâóìåðíûì ñêàëÿðíûì ðàñïðåäåëåíèåì U(x, y) íà îòñ÷åòíûõ ïëîñêîñòÿõ Z = const.  ðàìêàõ ñêàëÿðíîé òåîðèè îïòè÷åñêóþ ñèñòåìó ìîæíî îõàðàêòåðèçîâàòü ôóíêöèåé îòêëèêà, ïîçâîëÿþùåé ðàññ÷èòûâàòü ïî çàäàííîìó ðàñïðåäåëåíèþ ïîëÿ U0(x, y) íà âõîäíîé ïëîñêîñòè ðàñïðåäåëåíèå â òî÷êå Ð íà îñè ñèñòåìû â âûõîäíîé ïëîñêîñòè [8]
∫∫ ( ( ) )U (P) = exp (ikL0 ) /(iλB) U0 (x, y)exp ikA x2 + y2 /2B dxdy,
(1)
ãäå λ – äëèíà âîëíû èçëó÷åíèÿ, k = 2π/λ – âîëíîâîå ÷èñëî; À,  – ýëåìåíòû ëó÷åâîé ìàòðèöû îïòè÷åñêîé ñèñòåìû, ðàñïîëîæåííîé ìåæäó àêñèêîíîì è âûõîäíîé ïëîñêîñòüþ, L0 – èçìåðåííàÿ âäîëü îñè îïòè÷åñêàÿ äëèíà ñèñòåìû. Èíòåãðèðîâàíèå ïðîèçâîäèòñÿ ïî âñåé îñâåùåííîé ÷àñòè ïîâåðõíîñòè àêñèêîíà. Ðàñïðåäåëåíèå ïîëÿ U0(x, y) íà âõîäíîé ïëîñêîñòè äëÿ ñëó÷àÿ àêñèêîíà ñ ïðÿìîëèíåéíîé îáðàçóþùåé çàäàåòñÿ âûðàæåíèåì
( )U0 (x, y) = E0 (x, y) exp ikα x2 + y2 ,
(2)
ãäå E0(x, y) – àìïëèòóäà ïàäàþùåé âîëíû, α – óãîë îòêëîíåíèÿ àêñèêîíîì îñåâîãî ïó÷êà. Îòðèöàòåëüíûé çíàê α ñîîòâåòñòâóåò ñîáèðàþùåìó àêñèêîíó (âîëíîâûå ôðîíòû ñõîäÿòñÿ ê îñè), ïîëîæèòåëüíûé çíàê α ñîîòâåòñòâóåò ðàññåèâàþùåìó àêñèêîíó (âîëíîâûå ôðîíòû óäàëÿþòñÿ îò îñè).
Ïðè ïðîâåäåíèè ðàñ÷åòîâ èíòåíñèâíîñòè èçëó÷åíèÿ I(P) = |U(P2)| ïðåäñòàâëÿþò èíòåðåñ òîëüêî òå òî÷êè íàáëþäåíèÿ, êîòîðûå íàõîäÿòñÿ â ïðåäåëàõ íåêîòîðîãî èíòåðâàëà âäîëü îñè Z ñ êîîðäèíàòàìè L1 è L2. Äåëî â òîì, ÷òî èç-çà îãðàíè÷åííîñòè àïåðòóðû âõîäíîãî ïó÷êà ó÷àñòîê ôîêàëüíîãî ðàñïðåäåëåíèÿ, â êîòîðîì ïðîèñõîäèò îñíîâíàÿ êîíöåíòðàöèÿ èçëó÷åíèÿ (ïðîòÿæåííîñòü Áåññåëåâà ïó÷êà), òîæå îãðàíè÷åí. Õîðîøèå ðåçóëüòàòû ïðè îïðåäåëåíèè L1 è L2 äàþò ãåîìåòðè÷åñêèå âû÷èñëåíèÿ êîîðäèíàò òî÷åê ïåðåñå÷åíèÿ êðàéíèõ ëó÷åé àïåðòóðû, âõîäÿùèõ â ïðåîáðàçóþùóþ ñõåìó ïîä óãëîì α (â ñëó÷àå îñâåùåíèÿ àêñèêîíà êîëëèìèðîâàííûì ïó÷êîì). Äëÿ óäîáñòâà ðàñ÷åòîâ ñëåäóåò ðàçäåëèòü ïîëíóþ ñõåìó ïðåîáðàçîâàíèÿ íà 2 ÷àñòè, îäíà èç êîòîðûõ îêàí÷èâàåòñÿ ïîñëåäíèì ñôåðè÷åñêèì ýëåìåíòîì è îïèñûâàåòñÿ ìàòðèöåé A0B0C0D0, à äðóãàÿ ÿâëÿåòñÿ ó÷àñòêîì L ñâîáîäíîãî
ïðîñòðàíñòâà.  ñîîòâåòñòâèè ñ ïðàâèëàìè âû÷èñ-
ëåíèé ëó÷åâûõ ìàòðèö
A = A0 + B0L,
(3à)
B = B0 + D0L.
(3á)
 ÷àñòíîì ñëó÷àå îñâåùàþùåãî ïó÷êà â âèäå ðàì-
êè ñ âíåøíèì ðàçìåðîì d1 è âíóòðåííèì d2 óäàëåíèå òî÷åê ïåðåñå÷åíèÿ z1 è z2 êðàéíèõ ëó÷åé ñ îñüþ Z îò ñõåìû A0B0C0D0 ðàâíû
zi = −( A0di/2 + B0α) / (C0di/2 + D0α),
(4)
ãäå i = 1,2. Ïðè ýòîì çíàêè óãëîâ è ðàññòîÿíèé [7] â íàïðàâëåíèè õîäà ëó÷åé èìåþò ïîëîæèòåëüíûå çíà÷åíèÿ. Òîãäà ãðàíèöû îáëàñòè íàáëþäåíèÿ L1 è L2, â êîòîðûõ ñëåäóåò âû÷èñëÿòü èíòåãðàë (1), îïðåäåëÿþòñÿ
L1 = min(z1, z2),
(5à)
L2 = max(z1, z2).
(5á)
 çàâèñèìîñòè îò ïàðàìåòðîâ ïðåîáðàçóþùåé ñõåìû âîçìîæíû ñèòóàöèè, êîãäà L1 < 0, a L2 > 0. Ýòî ñîîòâåòñòâóåò ñëó÷àþ, êîãäà ÷àñòü ïåðåòÿæêè Áåññåëåâà ïó÷êà íàõîäèòñÿ âíóòðè ñõåìû A0B0C0D0. Ïðè L2 < 0 íà âûõîäå ñõåìû A0B0C0D0 ïåðåòÿæêà Áåññåëåâà ïó÷êà íå íàáëþäàåòñÿ. Îáà ïîñëåäíèõ ñëó÷àÿ ïðàêòè÷åñêîãî èíòåðåñà íå ïðåäñòàâëÿþò.
Ýêñïåðèìåíòàëüíàÿ ñõåìà
Ýêâèâàëåíòíàÿ îïòè÷åñêàÿ ñõåìà ôîðìèðîâàíèÿ Áåññåëåâà ïó÷êà èçîáðàæåíà íà pèñ. 1. Íà ðàññòîÿíèè 3 ì îò àêñèêîíà (À) ðàñïîëîæåíî ñôåðè÷åñêîå çåðêàëî (Ë1) ñ ôîêóñíûì ðàññòîÿíèåì F1 = 8,5 ì, êîòîðîå â ñâîåé ôîêàëüíîé ïëîñêîñòè (Ï) ôîðìèðóåò ðàñïðåäåëåíèå â âèäå îêðóæíîñòè, ñîîòâåòñòâó-
4 “Îïòè÷åñêèé æóðíàë”, òîì 75, ¹ 9, 2008
þùåå äàëüíåé çîíå èçëó÷åíèÿ îò êîíè÷åñêîãî âîëíîâîãî ôðîíòà, îòðàæåííîãî îò àêñèêîíà (À). Äèàìåòð îêðóæíîñòè d0 ðàâåí 2αF1, ãäå α = 5 ìðàä – óãîë íàêëîíà âîëíîâîãî âåêòîðà ê îïòè÷åñêîé îñè ïðè îñâåùåíèè àêñèêîíà êîëëèìèðîâàííûì îñåâûì ïó÷êîì. Âòîðîå çåðêàëî (Ë2) ðàñïîëîæåíî íà ðàññòîÿíèè 18 ì îò 1-ãî çåðêàëà è èìååò ôîêóñíîå ðàññòîÿíèå F2 = 1,5 ì. Îíî ôîðìèðóåò ïåðåòÿæêó Áåññåëåâà ïó÷êà íà ó÷àñòêå L1L2 âáëèçè ñâîåãî ôîêóñà. Òàêèì îáðàçîì, ïðåîáðàçóþùàÿ ñõåìà èç 2-õ ñôåðè÷åñêèõ çåðêàë ôîðìèðóåò îáëàñòü êîíöåíòðàöèè èçëó÷åíèÿ Áåññåëåâà ïó÷êà íà óäàëåíèè áîëåå 20 ì îò ñàìîãî àêñèêîíà. Óãëû ïàäåíèÿ íà âñå îïòè÷åñêèå ýëåìåíòû íå ïðåâûøàëè 0,05 ðàä. Ïðè òàêèõ óãëàõ âëèÿíèåì àñòèãìàòèçìà àêñèêîíà [9] è çåðêàë ìîæíî ïðåíåáðå÷ü. Êàê âèäíî èç pèñ. 1, ïðè èñïîëüçîâàíèè âûïóêëîãî àêñèêîíà âíóòðè ñõåìû îòñóòñòâóåò ïåðåòÿæêà ïó÷êà.
 êà÷åñòâå èñòî÷íèêà èçëó÷åíèÿ èñïîëüçîâàëñÿ èìïóëüñíûé ÝÈ ÑÎ2-ëàçåð ñ îáúåìîì àêòèâíîé ñðåäû 10 ë. Èçëó÷åíèå ëàçåðà ôîðìèðîâàëîñü íåóñòîé÷èâûì òåëåñêîïè÷åñêèì ðåçîíàòîðîì ñ ãåîìåòðè÷åñêèì óâåëè÷åíèåì Ì = 3,67, ïðè ýòîì âûõîäíîå çåðêàëî èìåëî êâàäðàòíîå ñå÷åíèå ñ ðàçìåðîì 24×24 ìì. Ðàçðÿäíàÿ êàìåðà èçîëèðóåòñÿ îò àòìîñôåðû ñ ïîìîùüþ îêîí èç KCl, óñòàíîâëåííûõ ïîä óãëîì Áðþñòåðà. Äëÿ îáåñïå÷åíèÿ âûñîêèõ ïèêîâûõ ìîùíîñòåé íàìè èñïîëüçîâàëèñü àêòèâíûå ñìåñè, íå ñîäåðæàùèå Íå, ñ ñîîòíîøåíèåì ìîëåêóëÿðíûõ ãàçîâ ÑÎ2:N2 = 1:1. Ïðè óäåëüíîì ýëåêòðè÷åñêîì âêëàäå â ðàçðÿä W = 200 Äæ/ë ïèêîâûå ìîùíîñòè âûõîäíîãî èçëó÷åíèÿ ñîñòàâëÿëè 200 ÌÂò ïðè ïîëíîé ýíåðãèè èìïóëüñà èçëó÷åíèÿ 100 Äæ.
Äëÿ ýêñïåðèìåíòîâ ïî ôîðìèðîâàíèþ ïëàçìåííûõ êàíàëîâ áûë âûáðàí çåðêàëüíûé âàðèàíò ðàññåèâàþùåãî àêñèêîíà äèàìåòðîì 150 ìì ñ óãëîì îòêëîíåíèÿ îñåâîãî ïó÷êà 5 ìðàä. Òî åñòü ïîâåðõíîñòü àêñèêîíà ÿâëÿåòñÿ âûïóêëîé, ïðè ýòîì åãî âåðøèíà âûñòóïàåò îòíîñèòåëüíî êðàÿ íà 0,2 ìì. Àêñèêîí áûë èçãîòîâëåí èç ñòåêëà Ê8 ïî òåõíîëîãèè ðó÷íîé îáðàáîòêè ñ ïîñëåäóþùèì íàíåñåíèåì ïîêðûòèÿ èç Al. Ïîëèðîâêà ñòåêëÿííîé ïîâåðõíîñòè ïðîèçâîäèëàñü ïî òàêîé æå òåõíîëîãèè, êàê è ïðè îáðàáîòêå îïòè÷åñêèõ äåòàëåé äëÿ âèäèìîé îáëàñòè ñïåêòðà. Ñëåäóåò îòìåòèòü, ÷òî èç-çà ðàìî÷íîãî ñå÷åíèÿ ëàçåðíîãî ïó÷êà íå ïðåäúÿâëÿëîñü íèêàêèõ òðåáîâàíèé ê êà÷åñòâó îáðàáîòêè âåðøèíû êîíóñà â ïðåäåëàõ 10 ìì ñâåòîâîãî äèàìåòðà îò âåðøèíû. Êàê ïîêàçàëè èçìåðåíèÿ ïðîôèëÿ ïîâåðõíîñòè àêñèêîíà íà èçìåðèòåëüíîé ìàøèíå “Ìèñòðàëü”, îñòàòî÷íûå îòêëîíåíèÿ îïòè÷åñêîé ïîâåðõíîñòè îò çàäàííîãî ïðîôèëÿ íå ïðåâûøàëè 2 ìêì. Àêñèêîí îñâåùàëñÿ ïó÷êîì ëàçåðà ñ ðàäèóñîì êðèâèçíû íå ìåíåå 100 ì.
α L1 L2
À Ë1 Ï
Ë2
Ðèñ. 1. Ýêâèâàëåíòíàÿ îïòè÷åñêàÿ ñõåìà ôîðìèðîâàíèÿ Áåññåëåâà ïó÷êà íà ó÷àñòêå L1L2 îïòè÷åñêîé îñè. À – çåðêàëüíûé àêñèêîí ñ óãëîì îòêëîíåíèÿ α, Ë1 è Ë2 – ñôåðè÷åñêèå çåðêàëà, Ï – ïëîñêîñòü íàáëþäåíèÿ äàëüíåé çîíû àêñèêîíà.
Ðèñ. 2. Îòïå÷àòîê èìïóëüñà èçëó÷åíèÿ, îòðàæåííîãî îò àêñèêîíà â ôîêóñå ñôåðè÷åñêîãî çåðêàëà (ðàñïðåäåëåíèå â “äàëüíåé çîíå” àêñèêîíà).
Áûëè ïðîâåäåíû ïðåäâàðèòåëüíûå ýêñïåðèìåíòû ïî ïðîâåðêå îïòè÷åñêîãî êà÷åñòâà èçãîòîâëåííîãî àêñèêîíà íà äëèíå âîëíû èçëó÷åíèÿ ÑÎ2ëàçåðà. Íà pèñ. 2 ïîêàçàí îòïå÷àòîê ðàñïðåäåëåíèÿ èçëó÷åíèÿ â ôîêàëüíîé ïëîñêîñòè çåðêàëà Ë1 (“äàëüíÿÿ çîíà” àêñèêîíà), ïîëó÷åííûé íà ïðåäâàðèòåëüíî çàñâå÷åííîé è ïðîÿâëåííîé ôîòîáóìàãå. Äèàìåòð êîëüöà è åãî òîëùèíà õîðîøî ñîâïàäàþò ñ ðàñ÷åòíûìè çíà÷åíèÿìè äëÿ àêñèêîíà èäåàëüíîãî êà÷åñòâà è èäåàëüíîãî ïó÷êà ëàçåðà. Àçèìóòàëüíàÿ íåîäíîðîäíîñòü îñâåùåíèÿ êà÷åñòâåííî ñîîòâåòñòâóåò ðàñ÷åòàì ïðè ó÷åòå ïîïåðå÷íîãî ïðîôèëÿ ëàçåðíîãî ïó÷êà, èìåþùåãî êâàäðàòíîå ñå÷åíèå, è òåíè îò êðåïåæíîãî ýëåìåíòà âûõîäíîãî çåðêàëà ðåçîíàòîðà.
“Îïòè÷åñêèé æóðíàë”, òîì 75, ¹ 9, 2008
5
Ýêñïåðèìåíòàëüíûå ðåçóëüòàòû ïî ôîðìèðîâàíèþ ñïëîøíûõ ïëàçìåííûõ êàíàëîâ
Ïåðåä ïðîâåäåíèåì ýêñïåðèìåíòîâ áûëè âûïîëíåíû ðàñ÷åòû îñåâûõ ðàñïðåäåëåíèé Áåññåëåâà ïó÷êà äëÿ ïàðàìåòðîâ ñõåìû, èçîáðàæåííîé íà pèñ. 1. Èñõîäíûé ëàçåðíûé ïó÷îê ìîäåëèðîâàëñÿ ïðÿìîóãîëüíûì ïðîôèëåì â ïîïåðå÷íîì ñå÷åíèè â ïðåäåëàõ êâàäðàòíîé ðàìêè ñ âíåøíèì ðàçìåðîì 80×80 ìì è âíóòðåííèì 30×30 ìì. Îòìåòèì, ÷òî óêàçàííûå ðàçìåðû îòëè÷àþòñÿ îò ãåîìåòðè÷åñêèõ ãðàíèö ïó÷êà íà âûõîäå èç ðåçîíàòîðà èç-çà êðàåâîé äèôðàêöèè è ñîîòâåòñòâóþò ýôôåêòèâíûì ðàçìåðàì ïó÷êà, íàáëþäàåìûì ýêñïåðèìåíòàëüíî â ïëîñêîñòè àêñèêîíà.
Ðàñ÷åòíîå ðàñïðåäåëåíèå èíòåíñèâíîñòè âäîëü îñè Áåññåëåâà ïó÷êà ïðè ïîëíîé ìîùíîñòè èçëó÷åíèÿ â ïó÷êå 200 ÌÂò èçîáðàæåíî íà pèñ. 3. Êàê âèäíî èç ðèñóíêà, ïðåâûøåíèå èíòåíñèâíîñòè èçëó÷åíèÿ íàä ïîðîãîì îïòè÷åñêîãî ïðîáîÿ âîçäóõà (ñì. íèæå) ïðîèñõîäèò íà ó÷àñòêå âäîëü îñè ôîêàëüíîãî ðàñïðåäåëåíèÿ äëèíîé 24 ñì. Ïðè ýòîì ìàêñèìàëüíûå èíòåíñèâíîñòè èçëó÷åíèÿ äîñòèãàþò óðîâíÿ 6×1010 Âò/ñì2. Íåñìîòðÿ íà òî, ÷òî ãåîìåòðè÷åñêèå îöåíêè äëèíû ïåðåòÿæêè L1 = 1,39 ì è L2 = 1,56 ì äëÿ ïó÷êîâ êâàäðàòíîãî ñå÷åíèÿ, î÷åâèäíî, íîñÿò ëèøü ïðèáëèçèòåëüíûé õàðàêòåð, òåì íå ìåíåå îíè ñëóæàò õîðîøåé îöåíêîé äëèíû ïëàçìåííîãî êàíàëà äàæå â ýòîì ñëó÷àå.
Áûëè ïðîâåäåíû äîïîëíèòåëüíûå ýêñïåðèìåíòû ïî ïðîâåðêå ïðàâèëüíîñòè ðàñ÷åòîâ ôîêàëüíûõ ðàñïðåäåëåíèé ïóòåì ïðÿìîãî èçìåðåíèÿ ýíåðãèè ëàçåðíîãî èìïóëüñà â ïðåäåëàõ 1-ãî òåìíîãî êîëüöà ïåðåòÿæêè Áåññåëåâà ïó÷êà â îòñóòñòâèå ïðîáîÿ. Îòïå÷àòîê èçëó÷åíèÿ â ïåðåòÿæêå íà ôîòîáóìàãå ïðèâåäåí íà ðèñ. 4.  ýêñïåðèìåíòàõ èçìåðÿëàñü äîëÿ ýíåðãèè ïó÷êà, ñîñðåäîòî÷åííàÿ â êåðíå ðàñïðåäåëåíèÿ. Êàê ïîêàçàëà îáðàáîòêà ýòèõ èçìåðåíèé, ýêñïåðèìåíòàëüíûå çíà÷åíèÿ èíòåíñèâíîñòè èçëó÷åíèÿ íà îñè ñîñòàâëÿþò 75% îò ðàñ÷åòíûõ.
Èçâåñòíî, ÷òî ôîðìèðîâàíèå ïëàçìåííûõ êàíàëîâ â àòìîñôåðå çàâèñèò îò ïîðîãîâûõ çíà÷åíèé èíòåíñèâíîñòè îáðàçîâàíèÿ ïðîáîÿ âîçäóõà. Ñ öåëüþ îïðåäåëåíèÿ ïîðîãîâîé èíòåíñèâíîñòè ïðîâåäåíû ýêñïåðèìåíòû, â êîòîðûõ êîíòðîëèðîâàëàñü äëèíà ïëàçìåííîãî êàíàëà ïðè èçìåíåíèè ïîëíîé ìîùíîñòè èçëó÷åíèÿ. Èíòåíñèâíîñòè èçëó÷åíèÿ âû÷èñëÿëèñü ïî îïèñàííîé âûøå ïðîöåäóðå.
Ñ èñïîëüçîâàíèåì ýòîé ìåòîäèêè ïîëó÷åíî, ÷òî çíà÷åíèå ïîðîãîâîé èíòåíñèâíîñòè èçëó÷åíèÿ èìïóëüñíîãî ÑÎ2-ëàçåðà Iïîð = 8×109 Âò/ñì2 äëÿ óñëîâèé ôîðìèðîâàíèÿ îïòè÷åñêîãî ïðîáîÿ ñ ïîìîùüþ àêñèêîíà.
I, Âò/ñì2
6× 1010
4×1010
2×1010
0 1,3
1,4
1,5 L, ì
Ðèñ. 3. Ðàñ÷åòíîå ðàñïðåäåëåíèå èíòåíñèâíîñòè íà îñè Áåññåëåâà ïó÷êà ïðè ïîëíîé èìïóëüñíîé ìîùíîñòè 200 ÌÂò â ïó÷êå â âèäå êâàäðàòíîé ðàìêè. Ïóíêòèðîì óêàçàí ïîðîã âîçíèêíîâåíèÿ ïðîáîÿ âîçäóõà.
Ðèñ. 4. Ôîòîãðàôèÿ ðàñïðåäåëåíèÿ èçëó÷åíèÿ â ïîïåðå÷íîì ñå÷åíèè ôîðìèðóåìîé àêñèêîíîì ïåðåòÿæêè. Äèàìåòð ïåðâîãî òåìíîãî êîëüöà ðàñïðåäåëåíèÿ ñîñòàâëÿåò 0,85 ìì.
Ðèñ. 5. Ôîòîãðàôèÿ ïðîòÿæåííîé èñêðû.
Ôîòîãðàôèÿ ïëàçìåííîãî êàíàëà, ôîðìèðóåìîãî â ëàáîðàòîðíîé àòìîñôåðå, ïðèâåäåíà íà ðèñ. 5. Ìàêñèìàëüíàÿ äëèíà êàíàëà îêàçàëàñü áëèçêîé ê òåîðåòè÷åñêîé è ñîñòàâèëà 22 ñì ïðè ïîëíîé ìîùíîñòè èçëó÷åíèÿ â ïåðåäíåì ïèêå 150 ÌÂò.
6 “Îïòè÷åñêèé æóðíàë”, òîì 75, ¹ 9, 2008
Çàêëþ÷åíèå
Ïðåäëîæåííàÿ îïòè÷åñêàÿ ñõåìà ïîçâîëÿåò ôîðìèðîâàòü Áåññåëåâû ïó÷êè ñ áîëüøèì äèàïàçîíîì èçìåíåíèÿ ïàðàìåòðîâ ïðè èñïîëüçîâàíèè îäíîãî êîíè÷åñêîãî ýëåìåíòà. Àíàëèòè÷åñêàÿ ìîäåëü ïîçâîëÿåò ïðîñòûìè ìåòîäàìè ðàññ÷èòûâàòü ïàðàìåòðû ôîêàëüíîãî ðàñïðåäåëåíèÿ èçëó÷åíèÿ, ñîçäàâàåìîãî ÔÎÑ ñ àêñèêîíàìè. Ýêñïåðèìåíòàëüíàÿ ïðîâåðêà ïîêàçàëà ñîâïàäåíèå äëèíû ôîðìèðóåìîãî ïëàçìåííîãî êàíàëà ñ ðàñ÷åòíûìè çíà÷åíèÿìè.
ËÈÒÅÐÀÒÓÐÀ
11. Áîðèñîâ Ì.Ô., Ãðîìîâåíêî Â.Ì., Ëàïøèí Â.À., Ðåçóíêîâ Þ.À., Ñàâåëüåâà Â.Ï., Ñòåïàíîâ Â.Â. Äëèííàÿ ëàçåðíàÿ èñêðà äëÿ óïðàâëåíèÿ òðàåêòîðèåé àòìîñôåðíîãî ýëåêòðè÷åñêîãî ðàçðÿäà // Îïòè÷åñêèé æóðíàë. 1999. Ò. 66. ¹ 3. Ñ. 40–47.
12. Áàõàðè À., Òàðàíóõèí Â.Ä. Ëàçåðíîå óñêîðåíèå ýëåêòðîíîâ â âàêóóìå äî ýíåðãèé ~109 ýÂ // Êâàíò. ýëåêòðîí. 2004. Ò. 34. ¹ 2. Ñ. 129–134.
13. Apollonov V.V., Firsov K.N., Kazantsev S.Yu., Kononov I.G., Polyakov D.M., Safulin A.V., Vasilyak L.M. Con-
tinuous long laser spark produced with conical mirror and CO2 laser // Proc. SPIE. 2003. V. 5120. P. 631–639.
14. Ïÿòíèöêèé Ë.Í. Íåîäíîðîäíîñòè ëàçåðíîé èñêðû â ïó÷êàõ ñ êîìïåíñàöèåé äèôðàêöèîííîé ðàñõîäèìîñòè // Ïðèêëàäíàÿ ôèçèêà. 2003. ¹ 1. Ñ. 55–64.
15. Ageichik A.A., Alekseev V.N., Gromovenko V.M., Koroljev V.I., Malinin A.N., Rezunkov Yu.A., Savelieva V.P., Sokolova G.A., Stepanov V.V., Baranov A.G., Kuchinsky A.A., Tomashevich P.V. Creation of the terawatt picosecond CO2 laser // Program of the Conference on Laser Optics. St.-Petersburg, June 26–30, 2006.
16. Ñàâåëüåâà Â.Ï. Îïòè÷åñêèå ôîðìèðóþùèå ñèñòåìû äëÿ ãåíåðàöèè äëèííîé ëàçåðíîé èñêðû // Îïòè÷åñêèé æóðíàë. 1999. Ò. 66. ¹ 3. Ñ. 54–57.
17. Äæåððàðä À., Áåð÷ Äæ.Ì. Ââåäåíèå â ìàòðè÷íóþ îïòèêó / Ïåð. ñ àíãë. ïîä ðåä. Êîðîáêèíà Â.Â. Ì.: Ìèð, 1978. 341 ñ.
18. Àíàíüåâ Þ.À. Îïòè÷åñêèå ðåçîíàòîðû è ëàçåðíûå ïó÷êè. Ì.: Íàóêà. Ãë. ðåä. ôèç.-ìàò. ëèò., 1990. 263 ñ.
19. Thaning A, Jaroszewicz Z., Friberg A.T. Diffractive axicons in oblique illumination: analysis and experiments and comparison with elliptical axicons // Appl. Opt. 2003. V. 42. ¹ 1. P. 9–17.
“Îïòè÷åñêèé æóðíàë”, òîì 75, ¹ 9, 2008
7
Òîì 75, ¹ 9, ñåíòÿáðü 2008
ÑÎÄÅÐÆÀÍÈÅ
ËÀÇÅÐÍÀß ÔÈÇÈÊÀ È ÒÅÕÍÈÊÀ
3 Îïòè÷åñêèå ñõåìû íà îñíîâå êîíè÷åñêèõ ýëåìåíòîâ äëÿ ôîðìèðîâàíèÿ ïðîòÿæåííûõ ïëàçìåííûõ êàíàëîâ â àòìîñôåðå Àãåé÷èê À.À., Áåëîáðàãèí Á.À., Ðåçóíêîâ Þ.À., Ñàâåëüåâà Â.Ï., Ñòåïàíîâ Â.Â.
8 Èññëåäîâàíèå âëèÿíèÿ ñàìîïîãëîùåíèÿ â ýðîçèîííîé ëàçåðíîé ïëàçìå Ge, In, Pb, Ga, Cu íà åå ñïåêòðàëüíûå õàðàêòåðèñòèêè ×ó÷ìàí Ì.Ï., Øóàèáîâ À.Ê.
14 Çàâèñèìîñòü áèîëîãè÷åñêîé àêòèâíîñòè íèçêîèíòåíñèâíîãî ëàçåðíîãî èçëó÷åíèÿ îò ÷àñòîòû åãî ìîäóëÿöèè Ïëàâñêèé Â.Þ., Áàðóëèí Í.Â.
ÈÊÎÍÈÊÀ – ÍÀÓÊÀ ÎÁ ÈÇÎÁÐÀÆÅÍÈÈ
23 Ïðîñòðàíñòâåííî-÷àñòîòíûå ôóíêöèè öâåòîâûõ êàíàëîâ îðãàíà çðåíèÿ Âàñüêîâñêèé À.À.
ÃÎËÎÃÐÀÔÈß
29 Âûáîð ïàðàìåòðîâ ñèíòåçà ãîëîãðàìì-ïðîåêòîðîâ äëÿ ôîòîëèòîãðàôèè Êîðåøåâ Ñ.Í., Íèêàíîðîâ Î.Â., Êîçóëèí È.À.
ÎÏÒÈ×ÅÑÊÎÅ ÏÐÈÁÎÐÎÑÒÐÎÅÍÈÅ È ÒÅÕÍÎËÎÃÈß
35 Àäàïòèâíûå ëèíçû íà îñíîâå æèäêèõ êðèñòàëëîâ Íåâñêàÿ Ã.Å., Òîìèëèí Ì.Ã.
49 Âîëîêîííûé èíòåðôåðîìåòð Ìàõà–Öåíäåðà äëÿ èçìåðåíèé ñïåêòðàëüíûõ õàðàêòåðèñòèê îäíî÷àñòîòíûõ ïîëóïðîâîäíèêîâûõ ëàçåðîâ äèàïàçîíà 1,32 ìêì è 1,55 ìêì Áóëãàêîâà Ñ.À., Äìèòðèåâ À.Ë.
54 Àíàëèç òðåáîâàíèé ê ïðèåìíèêàì èçëó÷åíèÿ äëÿ îïòè÷åñêîé êàìåðû ïîëÿ êîñìè÷åñêîãî òåëåñêîïà Ò-170Ì ïðîåêòà «Ñïåêòð-ÓÔ» Ìåëüíèêîâ Â.Ã., Øóãàðîâ À.Ñ.
62 Ïðåöèçèîííûå äàëüíîìåðû íà îñíîâå äâóõâîëíîâîãî èíæåêöèîííîãî ëàçåðà Êîçëîâ Â.Ë.
67 Ðåøåíèå ïðîáëåìû òî÷íîãî ïîçèöèîíèðîâàíèÿ îáúåêòà â ëàçåðíîì ñêàíèðóþùåì äèôôåðåíöèàëüíî-ôàçîâîì àáåððîìåòðå Ãðèãîðóê Â.È., Ïèëüãóí Þ.Â., Ñìèðíîâ Å.Í.
74 Îñîáåííîñòè ïðèìåíåíèÿ ÏÇÑ-ôîòîïðèåìíèêîâ â àêóñòî-îïòè÷åñêèõ ñðåäñòâàõ îáðàáîòêè èíôîðìàöèè Øèáàåâ Ñ.Ñ.
ÎÏÒÈ×ÅÑÊÎÅ ÌÀÒÅÐÈÀËÎÂÅÄÅÍÈÅ È ÒÅÕÍÎËÎÃÈß
78 Àíèçîòðîïèÿ îïòè÷åñêèõ ñâîéñòâ è íåîäíîðîäíîñòü ïëàñòè÷åñêè äåôîðìèðîâàííûõ êðèñòàëëîâ ãåðìàíèÿ Ðîøàê Å.Í., Øèðøíåâ Ï.Ñ., Ïðæåâóñêèé À.Ê.
83 Èññëåäîâàíèå ïðîöåññà ïîëèðîâàíèÿ ïîëèêðèñòàëëè÷åñêîãî ñåëåíèäà öèíêà ñ èñïîëüçîâàíèåì ïîëèðîâàëüíûõ ñìîë íà îñíîâå êàíèôîëè Ãàâðèùóê Å.Ì., Âèëêîâà Å.Þ., Òèìîôååâ Î.Â., Êóøíèð Ñ.Ð., Ðàäáèëü Á.À.
90 Îñîáåííîñòè ïîëóïðîâîäíèêîâûõ ìàòåðèàëîâ êàê îïòè÷åñêèõ ñðåä äëÿ èíôðàêðàñíîé îáëàñòè ñïåêòðà Àñòàôüåâ Í.È., Íåñìåëîâà È.Ì., Íåñìåëîâ Å.À.
ÈÍÔÎÐÌÀÖÈß
94 Êîëëåêòèâíàÿ ìîíîãðàôèÿ “Îïòèêà íàíîñòðóêòóð” 95 Ìîíîãðàôèÿ “Îïòè÷åñêèå ìåòîäû âèçóàëèçàöèè ãàçîâûõ ïîòîêîâ” 96 Ìîíîãðàôèÿ “Âûäàþùèåñÿ ðóññêèå ó÷åíûå Ì.Â. Ëîìîíîñîâ, Ä.Ñ. Ðîæäåñòâåíñêèé,
Ñ.È. Âàâèëîâ è íàó÷íàÿ øêîëà Ãîñóäàðñòâåííîãî îïòè÷åñêîãî èíñòèòóòà”
Ñäàíî â íàáîð 24.06.08. Ïîäïèñàíî â ïå÷àòü 00.00.08. Ôîðìàò áóìàãè 60×84/8. Áóìàãà îôñåòíàÿ ¹ 1. Ãàðíèòóðà Times New Roman. Ïå÷àòü îôñåòíàÿ. Çàêàç ¹ 00. Îòïå÷àòàíî â ÎÎÎ «ÖÒÒ». Òèðàæ 300 ýêç. Öåíà ïîäïèñíàÿ. Àäðåñ òèïîãðàôèè: 199034, Ñàíêò-Ïåòåðáóðã, Áèðæåâàÿ ëèíèÿ, ä. 16.
Êà÷åñòâî ãðàôè÷åñêèõ ìàòåðèàëîâ ñîîòâåòñòâóåò ïðåäñòàâëåííûì îðèãèíàëàì. Íàó÷íûé ðåäàêòîð Î. Í. Êîíîíîâà Êîððåêòîð Ý.À. Ðîæäåñòâåíñêàÿ
ËÀÇÅÐÍÀß ÔÈÇÈÊÀ È ÒÅÕÍÈÊÀ
ÓÄÊ 535.31.2:535.42
ÎÏÒÈ×ÅÑÊÈÅ ÑÕÅÌÛ ÍÀ ÎÑÍÎÂÅ ÊÎÍÈ×ÅÑÊÈÕ ÝËÅÌÅÍÒΠÄËß ÔÎÐÌÈÐÎÂÀÍÈß ÏÐÎÒßÆÅÍÍÛÕ ÏËÀÇÌÅÍÍÛÕ ÊÀÍÀËΠ ÀÒÌÎÑÔÅÐÅ
© 2008 ã. © 2008 ã.
À. À. Àãåé÷èê*; Á. À. Áåëîáðàãèí**, äîêòîð òåõí. íàóê; Þ. À. Ðåçóíêîâ*, äîêòîð òåõí. íàóê; Â. Ï. Ñàâåëüåâà*; Â. Â. Ñòåïàíîâ*, êàíä. ôèç.-ìàò. íàóê
** ÔÃÓÏ ÍÈÈ êîìïëåêñíûõ èñïûòàíèé îïòèêî-ýëåêòðîííûõ ïðèáîðîâ è ñèñòåì, Ñîñíîâûé Áîð, ** Ëåíèíãðàäñêàÿ îáëàñòü
** ÔÃÓÏ “ÃÍÏÏ “Ñïëàâ”, Òóëà ** Å-mail: yuri@sbor.net
Ðàññìîòðåíà íåòðàäèöèîííàÿ ôîðìèðóþùàÿ îïòè÷åñêàÿ ñõåìà äëÿ ãåíåðàöèè ïðîòÿæåííûõ ïëàçìåííûõ êàíàëîâ â àòìîñôåðå ñ èñïîëüçîâàíèåì èìïóëüñíûõ ÑÎ2-ëàçåðîâ, ñîñòîÿùàÿ èç âûïóêëîãî çåðêàëüíîãî àêñèêîíà ñ ïðÿìîëèíåéíîé îáðàçóþùåé è ðåòðàíñëèðóþùåé ñõåìîé èç 2-õ ñôåðè÷åñêèõ îïòè÷åñêèõ ýëåìåíòîâ. Ñõåìà ïîçâîëÿåò ôîðìèðîâàòü ïåðåòÿæêó Áåññåëåâà ïó÷êà íà çíà÷èòåëüíîì óäàëåíèè îò àêñèêîíà. Ïðåäëîæåíà àíàëèòè÷åñêàÿ ìîäåëü ðàñ÷åòà ðàçðàáîòàííîé îïòè÷åñêîé ñõåìû.
Êîäû OCIS: 120.4820, 140.3300.
Ïîñòóïèëà â ðåäàêöèþ 20.03.2008.
Ââåäåíèå
Ôîðìèðîâàíèå ïðîòÿæåííûõ ôîêàëüíûõ ðàñïðåäåëåíèé ëàçåðíîãî ïó÷êà ñ çàäàííûì ïðîñòðàíñòâåííûì ðàñïðåäåëåíèåì èíòåíñèâíîñòè èìååò áîëüøîå ïðàêòè÷åñêîå çíà÷åíèå äëÿ ðåøåíèÿ ðÿäà íàó÷íî-òåõíè÷åñêèõ çàäà÷. Ê òàêèì çàäà÷àì îòíîñÿòñÿ: ãåíåðàöèÿ ïðîòÿæåííûõ (äî 100 ì) ïëàçìåííûõ êàíàëîâ â àòìîñôåðå [1] äëÿ ðàçðàáîòêè ëàçåðíûõ ñèñòåì óïðàâëåíèÿ ìîëíèåâûì ðàçðÿäîì, à òàêæå ñîçäàíèå ëàçåðíûõ óñêîðèòåëåé ýëåêòðîíîâ [2], îòëè÷èòåëüíîé îñîáåííîñòüþ êîòîðûõ ÿâëÿåòñÿ âûñîêèé òåìï óñêîðåíèÿ, êîíòðîëèðóåìûé ðåæèì, âûñîêàÿ ÿðêîñòü óñêîðåííîãî ïó÷êà, à òàêæå åãî êà÷åñòâî.
Ïðè ýòîì äîëæíû èñïîëüçîâàòüñÿ ëàçåðû ñ áîëüøîé ýíåðãèåé èçëó÷åíèÿ â èìïóëüñå [3] è êîðîòêîé äëèòåëüíîñòüþ èìïóëüñà [4], à ïðîòÿæåííàÿ ïåðåòÿæêà ëàçåðíîãî ïó÷êà äîëæíà ôîðìèðîâàòüñÿ íà çíà÷èòåëüíîì óäàëåíèè îò ôîðìèðóþùåé îïòè÷åñêîé ñõåìû (ÔÎÑ).  ÷àñòíîñòè, òàêèì ëàçåðîì ìîæåò áûòü òåðàâàòòíûé ïèêîñåêóíäíûé ÑÎ2-ëàçåð [5].
Èçâåñòíî, ÷òî îäíèì èç ñðåäñòâ, ïîçâîëÿþùèõ ñîçäàâàòü ïðîòÿæåííûå ôîêàëüíûå ðàñïðåäåëåíèÿ ñ ïëàâíûì ðàñïðåäåëåíèåì èíòåíñèâíîñòè èçëó÷åíèÿ âäîëü îñè ôîêóñèðîâêè (Áåññåëåâû ïó÷êè), ÿâëÿþòñÿ êîíè÷åñêèå îïòè÷åñêèå ýëåìåíòû (àêñèêîíû). Îñîáåííîñòüþ àêñèêîííîé ôîêóñèðîâêè ÿâëÿåòñÿ “áîêîâàÿ” ïîäâîäêà èçëó÷åíèÿ ê ïåðåòÿæêå. Ýòî ñâîéñòâî ïîçâîëÿåò çíà÷èòåëüíî ñíèçèòü âëèÿíèå ýêðàíèðîâêè ëàçåðíîãî ïó÷êà âîçíèêàþ-
ùåé ïëàçìîé íà ôîðìèðîâàíèå ñïëîøíîãî ïëàçìåííîãî êàíàëà [6].
 äàííîé ðàáîòå îïèñàíà ÔÎÑ, ïîçâîëÿþùàÿ ôîðìèðîâàòü Áåññåëåâû ïó÷êè ñ ðàçëè÷íûì óäàëåíèåì îáëàñòè êîíöåíòðàöèè èçëó÷åíèÿ îò êîíè÷åñêîãî ýëåìåíòà áåç èçìåíåíèÿ óãëà ðàñêðûòèÿ àêñèêîíà. ÔÎÑ ñîñòîèò èç çåðêàëüíîãî àêñèêîíà è ðåòðàíñëèðóþùåé ñèñòåìû, ñîáðàííîé èç òðàäèöèîííûõ îïòè÷åñêèõ ýëåìåíòîâ. Ìîäåëü ñèñòåìû ðàññ÷èòàíà òåîðåòè÷åñêè ñ èñïîëüçîâàíèåì ôîðìàëèçìà ìàòðèö ABCD. Ïðîâåäåííûå ýêñïåðèìåíòû ïî ôîðìèðîâàíèþ ïëàçìåííîãî êàíàëà â àòìîñôåðå ïîçâîëèëè ïðîâåðèòü êàê ïðåäëîæåííûé ìåòîä ôîðìèðîâàíèÿ ïëàçìåííîãî êàíàëà, òàê è ìåòîä ðàñ÷åòà ÔÎÑ.
Ðàñ÷åòíàÿ ìîäåëü
 ðàìêàõ ðàññìàòðèâàåìîé ìîäåëè ÔÎÑ ìîæíî ñôîðìóëèðîâàòü ðÿä èñõîäíûõ ïîëîæåíèé êàê îñíîâó òåîðåòè÷åñêèõ ðàñ÷åòîâ. Âî-ïåðâûõ, äëÿ ôîðìèðîâàíèÿ ïðîòÿæåííûõ ôîêàëüíûõ ðàñïðåäåëåíèé îáû÷íî èñïîëüçóþòñÿ àêñèêîíû ñ ìàëûì óãëîì îòêëîíåíèÿ ëó÷åé îò îïòè÷åñêîé îñè (1° è ìåíåå). Ïî ýòîé ïðè÷èíå ìîæíî âîñïîëüçîâàòüñÿ ìàòåìàòè÷åñêèì àïïàðàòîì ðàñ÷åòà îïòè÷åñêèõ ñõåì â ïàðàêñèàëüíîì ïðèáëèæåíèè. Âî-âòîðûõ, ìîæíî ñóùåñòâåííî ðàñøèðèòü âîçìîæíîñòè ïðèìåíåíèÿ àêñèêîíîâ, åñëè ôîðìèðóåìûå èìè ïó÷êè ïðåîáðàçîâûâàòü îïòè÷åñêîé ñõåìîé, ñîñòàâëåííîé èç òðàäèöèîííûõ îïòè÷åñêèõ ýëåìåíòîâ. Â-òðåòüèõ, äëÿ
“Îïòè÷åñêèé æóðíàë”, òîì 75, ¹ 9, 2008
3
óíèâåðñàëèçàöèè ïðîöåäóðû ðàñ÷åòà ÔÎÑ ìîæíî èñïîëüçîâàòü ôîðìàëèçì ìàòðèö ABCD [7], êîòîðûé ïîçâîëÿåò â âåñüìà ïðîñòîé ôîðìå âûðàçèòü îñíîâíûå èíòåãðàëüíûå ñîîòíîøåíèÿ, âîçíèêàþùèå ïðè ðåøåíèè ïîäîáíûõ çàäà÷.  ñâîèõ ðàñ÷åòàõ àâòîðû îãðàíè÷èâàëèñü âû÷èñëåíèåì èíòåíñèâíîñòè ñâåòîâûõ ïîëåé òîëüêî íà îïòè÷åñêîé îñè ñèñòåìû.
Ðàññìîòðèì ñëó÷àé îñâåùåíèÿ àêñèêîíà ìîíîõðîìàòè÷åñêîé âîëíîé, ðàñïðîñòðàíÿþùåéñÿ âäîëü
îïòè÷åñêîé îñè Z. Ìíîæèòåëü exp(–iωt) îïóñêàëñÿ è âîëíà õàðàêòåðèçîâàëàñü äâóìåðíûì ñêàëÿðíûì ðàñïðåäåëåíèåì U(x, y) íà îòñ÷åòíûõ ïëîñêîñòÿõ Z = const.  ðàìêàõ ñêàëÿðíîé òåîðèè îïòè÷åñêóþ ñèñòåìó ìîæíî îõàðàêòåðèçîâàòü ôóíêöèåé îòêëèêà, ïîçâîëÿþùåé ðàññ÷èòûâàòü ïî çàäàííîìó ðàñïðåäåëåíèþ ïîëÿ U0(x, y) íà âõîäíîé ïëîñêîñòè ðàñïðåäåëåíèå â òî÷êå Ð íà îñè ñèñòåìû â âûõîäíîé ïëîñêîñòè [8]
∫∫ ( ( ) )U (P) = exp (ikL0 ) /(iλB) U0 (x, y)exp ikA x2 + y2 /2B dxdy,
(1)
ãäå λ – äëèíà âîëíû èçëó÷åíèÿ, k = 2π/λ – âîëíîâîå ÷èñëî; À,  – ýëåìåíòû ëó÷åâîé ìàòðèöû îïòè÷åñêîé ñèñòåìû, ðàñïîëîæåííîé ìåæäó àêñèêîíîì è âûõîäíîé ïëîñêîñòüþ, L0 – èçìåðåííàÿ âäîëü îñè îïòè÷åñêàÿ äëèíà ñèñòåìû. Èíòåãðèðîâàíèå ïðîèçâîäèòñÿ ïî âñåé îñâåùåííîé ÷àñòè ïîâåðõíîñòè àêñèêîíà. Ðàñïðåäåëåíèå ïîëÿ U0(x, y) íà âõîäíîé ïëîñêîñòè äëÿ ñëó÷àÿ àêñèêîíà ñ ïðÿìîëèíåéíîé îáðàçóþùåé çàäàåòñÿ âûðàæåíèåì
( )U0 (x, y) = E0 (x, y) exp ikα x2 + y2 ,
(2)
ãäå E0(x, y) – àìïëèòóäà ïàäàþùåé âîëíû, α – óãîë îòêëîíåíèÿ àêñèêîíîì îñåâîãî ïó÷êà. Îòðèöàòåëüíûé çíàê α ñîîòâåòñòâóåò ñîáèðàþùåìó àêñèêîíó (âîëíîâûå ôðîíòû ñõîäÿòñÿ ê îñè), ïîëîæèòåëüíûé çíàê α ñîîòâåòñòâóåò ðàññåèâàþùåìó àêñèêîíó (âîëíîâûå ôðîíòû óäàëÿþòñÿ îò îñè).
Ïðè ïðîâåäåíèè ðàñ÷åòîâ èíòåíñèâíîñòè èçëó÷åíèÿ I(P) = |U(P2)| ïðåäñòàâëÿþò èíòåðåñ òîëüêî òå òî÷êè íàáëþäåíèÿ, êîòîðûå íàõîäÿòñÿ â ïðåäåëàõ íåêîòîðîãî èíòåðâàëà âäîëü îñè Z ñ êîîðäèíàòàìè L1 è L2. Äåëî â òîì, ÷òî èç-çà îãðàíè÷åííîñòè àïåðòóðû âõîäíîãî ïó÷êà ó÷àñòîê ôîêàëüíîãî ðàñïðåäåëåíèÿ, â êîòîðîì ïðîèñõîäèò îñíîâíàÿ êîíöåíòðàöèÿ èçëó÷åíèÿ (ïðîòÿæåííîñòü Áåññåëåâà ïó÷êà), òîæå îãðàíè÷åí. Õîðîøèå ðåçóëüòàòû ïðè îïðåäåëåíèè L1 è L2 äàþò ãåîìåòðè÷åñêèå âû÷èñëåíèÿ êîîðäèíàò òî÷åê ïåðåñå÷åíèÿ êðàéíèõ ëó÷åé àïåðòóðû, âõîäÿùèõ â ïðåîáðàçóþùóþ ñõåìó ïîä óãëîì α (â ñëó÷àå îñâåùåíèÿ àêñèêîíà êîëëèìèðîâàííûì ïó÷êîì). Äëÿ óäîáñòâà ðàñ÷åòîâ ñëåäóåò ðàçäåëèòü ïîëíóþ ñõåìó ïðåîáðàçîâàíèÿ íà 2 ÷àñòè, îäíà èç êîòîðûõ îêàí÷èâàåòñÿ ïîñëåäíèì ñôåðè÷åñêèì ýëåìåíòîì è îïèñûâàåòñÿ ìàòðèöåé A0B0C0D0, à äðóãàÿ ÿâëÿåòñÿ ó÷àñòêîì L ñâîáîäíîãî
ïðîñòðàíñòâà.  ñîîòâåòñòâèè ñ ïðàâèëàìè âû÷èñ-
ëåíèé ëó÷åâûõ ìàòðèö
A = A0 + B0L,
(3à)
B = B0 + D0L.
(3á)
 ÷àñòíîì ñëó÷àå îñâåùàþùåãî ïó÷êà â âèäå ðàì-
êè ñ âíåøíèì ðàçìåðîì d1 è âíóòðåííèì d2 óäàëåíèå òî÷åê ïåðåñå÷åíèÿ z1 è z2 êðàéíèõ ëó÷åé ñ îñüþ Z îò ñõåìû A0B0C0D0 ðàâíû
zi = −( A0di/2 + B0α) / (C0di/2 + D0α),
(4)
ãäå i = 1,2. Ïðè ýòîì çíàêè óãëîâ è ðàññòîÿíèé [7] â íàïðàâëåíèè õîäà ëó÷åé èìåþò ïîëîæèòåëüíûå çíà÷åíèÿ. Òîãäà ãðàíèöû îáëàñòè íàáëþäåíèÿ L1 è L2, â êîòîðûõ ñëåäóåò âû÷èñëÿòü èíòåãðàë (1), îïðåäåëÿþòñÿ
L1 = min(z1, z2),
(5à)
L2 = max(z1, z2).
(5á)
 çàâèñèìîñòè îò ïàðàìåòðîâ ïðåîáðàçóþùåé ñõåìû âîçìîæíû ñèòóàöèè, êîãäà L1 < 0, a L2 > 0. Ýòî ñîîòâåòñòâóåò ñëó÷àþ, êîãäà ÷àñòü ïåðåòÿæêè Áåññåëåâà ïó÷êà íàõîäèòñÿ âíóòðè ñõåìû A0B0C0D0. Ïðè L2 < 0 íà âûõîäå ñõåìû A0B0C0D0 ïåðåòÿæêà Áåññåëåâà ïó÷êà íå íàáëþäàåòñÿ. Îáà ïîñëåäíèõ ñëó÷àÿ ïðàêòè÷åñêîãî èíòåðåñà íå ïðåäñòàâëÿþò.
Ýêñïåðèìåíòàëüíàÿ ñõåìà
Ýêâèâàëåíòíàÿ îïòè÷åñêàÿ ñõåìà ôîðìèðîâàíèÿ Áåññåëåâà ïó÷êà èçîáðàæåíà íà pèñ. 1. Íà ðàññòîÿíèè 3 ì îò àêñèêîíà (À) ðàñïîëîæåíî ñôåðè÷åñêîå çåðêàëî (Ë1) ñ ôîêóñíûì ðàññòîÿíèåì F1 = 8,5 ì, êîòîðîå â ñâîåé ôîêàëüíîé ïëîñêîñòè (Ï) ôîðìèðóåò ðàñïðåäåëåíèå â âèäå îêðóæíîñòè, ñîîòâåòñòâó-
4 “Îïòè÷åñêèé æóðíàë”, òîì 75, ¹ 9, 2008
þùåå äàëüíåé çîíå èçëó÷åíèÿ îò êîíè÷åñêîãî âîëíîâîãî ôðîíòà, îòðàæåííîãî îò àêñèêîíà (À). Äèàìåòð îêðóæíîñòè d0 ðàâåí 2αF1, ãäå α = 5 ìðàä – óãîë íàêëîíà âîëíîâîãî âåêòîðà ê îïòè÷åñêîé îñè ïðè îñâåùåíèè àêñèêîíà êîëëèìèðîâàííûì îñåâûì ïó÷êîì. Âòîðîå çåðêàëî (Ë2) ðàñïîëîæåíî íà ðàññòîÿíèè 18 ì îò 1-ãî çåðêàëà è èìååò ôîêóñíîå ðàññòîÿíèå F2 = 1,5 ì. Îíî ôîðìèðóåò ïåðåòÿæêó Áåññåëåâà ïó÷êà íà ó÷àñòêå L1L2 âáëèçè ñâîåãî ôîêóñà. Òàêèì îáðàçîì, ïðåîáðàçóþùàÿ ñõåìà èç 2-õ ñôåðè÷åñêèõ çåðêàë ôîðìèðóåò îáëàñòü êîíöåíòðàöèè èçëó÷åíèÿ Áåññåëåâà ïó÷êà íà óäàëåíèè áîëåå 20 ì îò ñàìîãî àêñèêîíà. Óãëû ïàäåíèÿ íà âñå îïòè÷åñêèå ýëåìåíòû íå ïðåâûøàëè 0,05 ðàä. Ïðè òàêèõ óãëàõ âëèÿíèåì àñòèãìàòèçìà àêñèêîíà [9] è çåðêàë ìîæíî ïðåíåáðå÷ü. Êàê âèäíî èç pèñ. 1, ïðè èñïîëüçîâàíèè âûïóêëîãî àêñèêîíà âíóòðè ñõåìû îòñóòñòâóåò ïåðåòÿæêà ïó÷êà.
 êà÷åñòâå èñòî÷íèêà èçëó÷åíèÿ èñïîëüçîâàëñÿ èìïóëüñíûé ÝÈ ÑÎ2-ëàçåð ñ îáúåìîì àêòèâíîé ñðåäû 10 ë. Èçëó÷åíèå ëàçåðà ôîðìèðîâàëîñü íåóñòîé÷èâûì òåëåñêîïè÷åñêèì ðåçîíàòîðîì ñ ãåîìåòðè÷åñêèì óâåëè÷åíèåì Ì = 3,67, ïðè ýòîì âûõîäíîå çåðêàëî èìåëî êâàäðàòíîå ñå÷åíèå ñ ðàçìåðîì 24×24 ìì. Ðàçðÿäíàÿ êàìåðà èçîëèðóåòñÿ îò àòìîñôåðû ñ ïîìîùüþ îêîí èç KCl, óñòàíîâëåííûõ ïîä óãëîì Áðþñòåðà. Äëÿ îáåñïå÷åíèÿ âûñîêèõ ïèêîâûõ ìîùíîñòåé íàìè èñïîëüçîâàëèñü àêòèâíûå ñìåñè, íå ñîäåðæàùèå Íå, ñ ñîîòíîøåíèåì ìîëåêóëÿðíûõ ãàçîâ ÑÎ2:N2 = 1:1. Ïðè óäåëüíîì ýëåêòðè÷åñêîì âêëàäå â ðàçðÿä W = 200 Äæ/ë ïèêîâûå ìîùíîñòè âûõîäíîãî èçëó÷åíèÿ ñîñòàâëÿëè 200 ÌÂò ïðè ïîëíîé ýíåðãèè èìïóëüñà èçëó÷åíèÿ 100 Äæ.
Äëÿ ýêñïåðèìåíòîâ ïî ôîðìèðîâàíèþ ïëàçìåííûõ êàíàëîâ áûë âûáðàí çåðêàëüíûé âàðèàíò ðàññåèâàþùåãî àêñèêîíà äèàìåòðîì 150 ìì ñ óãëîì îòêëîíåíèÿ îñåâîãî ïó÷êà 5 ìðàä. Òî åñòü ïîâåðõíîñòü àêñèêîíà ÿâëÿåòñÿ âûïóêëîé, ïðè ýòîì åãî âåðøèíà âûñòóïàåò îòíîñèòåëüíî êðàÿ íà 0,2 ìì. Àêñèêîí áûë èçãîòîâëåí èç ñòåêëà Ê8 ïî òåõíîëîãèè ðó÷íîé îáðàáîòêè ñ ïîñëåäóþùèì íàíåñåíèåì ïîêðûòèÿ èç Al. Ïîëèðîâêà ñòåêëÿííîé ïîâåðõíîñòè ïðîèçâîäèëàñü ïî òàêîé æå òåõíîëîãèè, êàê è ïðè îáðàáîòêå îïòè÷åñêèõ äåòàëåé äëÿ âèäèìîé îáëàñòè ñïåêòðà. Ñëåäóåò îòìåòèòü, ÷òî èç-çà ðàìî÷íîãî ñå÷åíèÿ ëàçåðíîãî ïó÷êà íå ïðåäúÿâëÿëîñü íèêàêèõ òðåáîâàíèé ê êà÷åñòâó îáðàáîòêè âåðøèíû êîíóñà â ïðåäåëàõ 10 ìì ñâåòîâîãî äèàìåòðà îò âåðøèíû. Êàê ïîêàçàëè èçìåðåíèÿ ïðîôèëÿ ïîâåðõíîñòè àêñèêîíà íà èçìåðèòåëüíîé ìàøèíå “Ìèñòðàëü”, îñòàòî÷íûå îòêëîíåíèÿ îïòè÷åñêîé ïîâåðõíîñòè îò çàäàííîãî ïðîôèëÿ íå ïðåâûøàëè 2 ìêì. Àêñèêîí îñâåùàëñÿ ïó÷êîì ëàçåðà ñ ðàäèóñîì êðèâèçíû íå ìåíåå 100 ì.
α L1 L2
À Ë1 Ï
Ë2
Ðèñ. 1. Ýêâèâàëåíòíàÿ îïòè÷åñêàÿ ñõåìà ôîðìèðîâàíèÿ Áåññåëåâà ïó÷êà íà ó÷àñòêå L1L2 îïòè÷åñêîé îñè. À – çåðêàëüíûé àêñèêîí ñ óãëîì îòêëîíåíèÿ α, Ë1 è Ë2 – ñôåðè÷åñêèå çåðêàëà, Ï – ïëîñêîñòü íàáëþäåíèÿ äàëüíåé çîíû àêñèêîíà.
Ðèñ. 2. Îòïå÷àòîê èìïóëüñà èçëó÷åíèÿ, îòðàæåííîãî îò àêñèêîíà â ôîêóñå ñôåðè÷åñêîãî çåðêàëà (ðàñïðåäåëåíèå â “äàëüíåé çîíå” àêñèêîíà).
Áûëè ïðîâåäåíû ïðåäâàðèòåëüíûå ýêñïåðèìåíòû ïî ïðîâåðêå îïòè÷åñêîãî êà÷åñòâà èçãîòîâëåííîãî àêñèêîíà íà äëèíå âîëíû èçëó÷åíèÿ ÑÎ2ëàçåðà. Íà pèñ. 2 ïîêàçàí îòïå÷àòîê ðàñïðåäåëåíèÿ èçëó÷åíèÿ â ôîêàëüíîé ïëîñêîñòè çåðêàëà Ë1 (“äàëüíÿÿ çîíà” àêñèêîíà), ïîëó÷åííûé íà ïðåäâàðèòåëüíî çàñâå÷åííîé è ïðîÿâëåííîé ôîòîáóìàãå. Äèàìåòð êîëüöà è åãî òîëùèíà õîðîøî ñîâïàäàþò ñ ðàñ÷åòíûìè çíà÷åíèÿìè äëÿ àêñèêîíà èäåàëüíîãî êà÷åñòâà è èäåàëüíîãî ïó÷êà ëàçåðà. Àçèìóòàëüíàÿ íåîäíîðîäíîñòü îñâåùåíèÿ êà÷åñòâåííî ñîîòâåòñòâóåò ðàñ÷åòàì ïðè ó÷åòå ïîïåðå÷íîãî ïðîôèëÿ ëàçåðíîãî ïó÷êà, èìåþùåãî êâàäðàòíîå ñå÷åíèå, è òåíè îò êðåïåæíîãî ýëåìåíòà âûõîäíîãî çåðêàëà ðåçîíàòîðà.
“Îïòè÷åñêèé æóðíàë”, òîì 75, ¹ 9, 2008
5
Ýêñïåðèìåíòàëüíûå ðåçóëüòàòû ïî ôîðìèðîâàíèþ ñïëîøíûõ ïëàçìåííûõ êàíàëîâ
Ïåðåä ïðîâåäåíèåì ýêñïåðèìåíòîâ áûëè âûïîëíåíû ðàñ÷åòû îñåâûõ ðàñïðåäåëåíèé Áåññåëåâà ïó÷êà äëÿ ïàðàìåòðîâ ñõåìû, èçîáðàæåííîé íà pèñ. 1. Èñõîäíûé ëàçåðíûé ïó÷îê ìîäåëèðîâàëñÿ ïðÿìîóãîëüíûì ïðîôèëåì â ïîïåðå÷íîì ñå÷åíèè â ïðåäåëàõ êâàäðàòíîé ðàìêè ñ âíåøíèì ðàçìåðîì 80×80 ìì è âíóòðåííèì 30×30 ìì. Îòìåòèì, ÷òî óêàçàííûå ðàçìåðû îòëè÷àþòñÿ îò ãåîìåòðè÷åñêèõ ãðàíèö ïó÷êà íà âûõîäå èç ðåçîíàòîðà èç-çà êðàåâîé äèôðàêöèè è ñîîòâåòñòâóþò ýôôåêòèâíûì ðàçìåðàì ïó÷êà, íàáëþäàåìûì ýêñïåðèìåíòàëüíî â ïëîñêîñòè àêñèêîíà.
Ðàñ÷åòíîå ðàñïðåäåëåíèå èíòåíñèâíîñòè âäîëü îñè Áåññåëåâà ïó÷êà ïðè ïîëíîé ìîùíîñòè èçëó÷åíèÿ â ïó÷êå 200 ÌÂò èçîáðàæåíî íà pèñ. 3. Êàê âèäíî èç ðèñóíêà, ïðåâûøåíèå èíòåíñèâíîñòè èçëó÷åíèÿ íàä ïîðîãîì îïòè÷åñêîãî ïðîáîÿ âîçäóõà (ñì. íèæå) ïðîèñõîäèò íà ó÷àñòêå âäîëü îñè ôîêàëüíîãî ðàñïðåäåëåíèÿ äëèíîé 24 ñì. Ïðè ýòîì ìàêñèìàëüíûå èíòåíñèâíîñòè èçëó÷åíèÿ äîñòèãàþò óðîâíÿ 6×1010 Âò/ñì2. Íåñìîòðÿ íà òî, ÷òî ãåîìåòðè÷åñêèå îöåíêè äëèíû ïåðåòÿæêè L1 = 1,39 ì è L2 = 1,56 ì äëÿ ïó÷êîâ êâàäðàòíîãî ñå÷åíèÿ, î÷åâèäíî, íîñÿò ëèøü ïðèáëèçèòåëüíûé õàðàêòåð, òåì íå ìåíåå îíè ñëóæàò õîðîøåé îöåíêîé äëèíû ïëàçìåííîãî êàíàëà äàæå â ýòîì ñëó÷àå.
Áûëè ïðîâåäåíû äîïîëíèòåëüíûå ýêñïåðèìåíòû ïî ïðîâåðêå ïðàâèëüíîñòè ðàñ÷åòîâ ôîêàëüíûõ ðàñïðåäåëåíèé ïóòåì ïðÿìîãî èçìåðåíèÿ ýíåðãèè ëàçåðíîãî èìïóëüñà â ïðåäåëàõ 1-ãî òåìíîãî êîëüöà ïåðåòÿæêè Áåññåëåâà ïó÷êà â îòñóòñòâèå ïðîáîÿ. Îòïå÷àòîê èçëó÷åíèÿ â ïåðåòÿæêå íà ôîòîáóìàãå ïðèâåäåí íà ðèñ. 4.  ýêñïåðèìåíòàõ èçìåðÿëàñü äîëÿ ýíåðãèè ïó÷êà, ñîñðåäîòî÷åííàÿ â êåðíå ðàñïðåäåëåíèÿ. Êàê ïîêàçàëà îáðàáîòêà ýòèõ èçìåðåíèé, ýêñïåðèìåíòàëüíûå çíà÷åíèÿ èíòåíñèâíîñòè èçëó÷åíèÿ íà îñè ñîñòàâëÿþò 75% îò ðàñ÷åòíûõ.
Èçâåñòíî, ÷òî ôîðìèðîâàíèå ïëàçìåííûõ êàíàëîâ â àòìîñôåðå çàâèñèò îò ïîðîãîâûõ çíà÷åíèé èíòåíñèâíîñòè îáðàçîâàíèÿ ïðîáîÿ âîçäóõà. Ñ öåëüþ îïðåäåëåíèÿ ïîðîãîâîé èíòåíñèâíîñòè ïðîâåäåíû ýêñïåðèìåíòû, â êîòîðûõ êîíòðîëèðîâàëàñü äëèíà ïëàçìåííîãî êàíàëà ïðè èçìåíåíèè ïîëíîé ìîùíîñòè èçëó÷åíèÿ. Èíòåíñèâíîñòè èçëó÷åíèÿ âû÷èñëÿëèñü ïî îïèñàííîé âûøå ïðîöåäóðå.
Ñ èñïîëüçîâàíèåì ýòîé ìåòîäèêè ïîëó÷åíî, ÷òî çíà÷åíèå ïîðîãîâîé èíòåíñèâíîñòè èçëó÷åíèÿ èìïóëüñíîãî ÑÎ2-ëàçåðà Iïîð = 8×109 Âò/ñì2 äëÿ óñëîâèé ôîðìèðîâàíèÿ îïòè÷åñêîãî ïðîáîÿ ñ ïîìîùüþ àêñèêîíà.
I, Âò/ñì2
6× 1010
4×1010
2×1010
0 1,3
1,4
1,5 L, ì
Ðèñ. 3. Ðàñ÷åòíîå ðàñïðåäåëåíèå èíòåíñèâíîñòè íà îñè Áåññåëåâà ïó÷êà ïðè ïîëíîé èìïóëüñíîé ìîùíîñòè 200 ÌÂò â ïó÷êå â âèäå êâàäðàòíîé ðàìêè. Ïóíêòèðîì óêàçàí ïîðîã âîçíèêíîâåíèÿ ïðîáîÿ âîçäóõà.
Ðèñ. 4. Ôîòîãðàôèÿ ðàñïðåäåëåíèÿ èçëó÷åíèÿ â ïîïåðå÷íîì ñå÷åíèè ôîðìèðóåìîé àêñèêîíîì ïåðåòÿæêè. Äèàìåòð ïåðâîãî òåìíîãî êîëüöà ðàñïðåäåëåíèÿ ñîñòàâëÿåò 0,85 ìì.
Ðèñ. 5. Ôîòîãðàôèÿ ïðîòÿæåííîé èñêðû.
Ôîòîãðàôèÿ ïëàçìåííîãî êàíàëà, ôîðìèðóåìîãî â ëàáîðàòîðíîé àòìîñôåðå, ïðèâåäåíà íà ðèñ. 5. Ìàêñèìàëüíàÿ äëèíà êàíàëà îêàçàëàñü áëèçêîé ê òåîðåòè÷åñêîé è ñîñòàâèëà 22 ñì ïðè ïîëíîé ìîùíîñòè èçëó÷åíèÿ â ïåðåäíåì ïèêå 150 ÌÂò.
6 “Îïòè÷åñêèé æóðíàë”, òîì 75, ¹ 9, 2008
Çàêëþ÷åíèå
Ïðåäëîæåííàÿ îïòè÷åñêàÿ ñõåìà ïîçâîëÿåò ôîðìèðîâàòü Áåññåëåâû ïó÷êè ñ áîëüøèì äèàïàçîíîì èçìåíåíèÿ ïàðàìåòðîâ ïðè èñïîëüçîâàíèè îäíîãî êîíè÷åñêîãî ýëåìåíòà. Àíàëèòè÷åñêàÿ ìîäåëü ïîçâîëÿåò ïðîñòûìè ìåòîäàìè ðàññ÷èòûâàòü ïàðàìåòðû ôîêàëüíîãî ðàñïðåäåëåíèÿ èçëó÷åíèÿ, ñîçäàâàåìîãî ÔÎÑ ñ àêñèêîíàìè. Ýêñïåðèìåíòàëüíàÿ ïðîâåðêà ïîêàçàëà ñîâïàäåíèå äëèíû ôîðìèðóåìîãî ïëàçìåííîãî êàíàëà ñ ðàñ÷åòíûìè çíà÷åíèÿìè.
ËÈÒÅÐÀÒÓÐÀ
11. Áîðèñîâ Ì.Ô., Ãðîìîâåíêî Â.Ì., Ëàïøèí Â.À., Ðåçóíêîâ Þ.À., Ñàâåëüåâà Â.Ï., Ñòåïàíîâ Â.Â. Äëèííàÿ ëàçåðíàÿ èñêðà äëÿ óïðàâëåíèÿ òðàåêòîðèåé àòìîñôåðíîãî ýëåêòðè÷åñêîãî ðàçðÿäà // Îïòè÷åñêèé æóðíàë. 1999. Ò. 66. ¹ 3. Ñ. 40–47.
12. Áàõàðè À., Òàðàíóõèí Â.Ä. Ëàçåðíîå óñêîðåíèå ýëåêòðîíîâ â âàêóóìå äî ýíåðãèé ~109 ýÂ // Êâàíò. ýëåêòðîí. 2004. Ò. 34. ¹ 2. Ñ. 129–134.
13. Apollonov V.V., Firsov K.N., Kazantsev S.Yu., Kononov I.G., Polyakov D.M., Safulin A.V., Vasilyak L.M. Con-
tinuous long laser spark produced with conical mirror and CO2 laser // Proc. SPIE. 2003. V. 5120. P. 631–639.
14. Ïÿòíèöêèé Ë.Í. Íåîäíîðîäíîñòè ëàçåðíîé èñêðû â ïó÷êàõ ñ êîìïåíñàöèåé äèôðàêöèîííîé ðàñõîäèìîñòè // Ïðèêëàäíàÿ ôèçèêà. 2003. ¹ 1. Ñ. 55–64.
15. Ageichik A.A., Alekseev V.N., Gromovenko V.M., Koroljev V.I., Malinin A.N., Rezunkov Yu.A., Savelieva V.P., Sokolova G.A., Stepanov V.V., Baranov A.G., Kuchinsky A.A., Tomashevich P.V. Creation of the terawatt picosecond CO2 laser // Program of the Conference on Laser Optics. St.-Petersburg, June 26–30, 2006.
16. Ñàâåëüåâà Â.Ï. Îïòè÷åñêèå ôîðìèðóþùèå ñèñòåìû äëÿ ãåíåðàöèè äëèííîé ëàçåðíîé èñêðû // Îïòè÷åñêèé æóðíàë. 1999. Ò. 66. ¹ 3. Ñ. 54–57.
17. Äæåððàðä À., Áåð÷ Äæ.Ì. Ââåäåíèå â ìàòðè÷íóþ îïòèêó / Ïåð. ñ àíãë. ïîä ðåä. Êîðîáêèíà Â.Â. Ì.: Ìèð, 1978. 341 ñ.
18. Àíàíüåâ Þ.À. Îïòè÷åñêèå ðåçîíàòîðû è ëàçåðíûå ïó÷êè. Ì.: Íàóêà. Ãë. ðåä. ôèç.-ìàò. ëèò., 1990. 263 ñ.
19. Thaning A, Jaroszewicz Z., Friberg A.T. Diffractive axicons in oblique illumination: analysis and experiments and comparison with elliptical axicons // Appl. Opt. 2003. V. 42. ¹ 1. P. 9–17.
“Îïòè÷åñêèé æóðíàë”, òîì 75, ¹ 9, 2008
7