Способ уменьшения пространственной когерентности импульсного лазерного излучения и устройство для его реализации

/ ь , ш асш где Т - длительность максимально протяженного из взаимодействующих импульсовбст У 84 Оьс) - /1(7 ьш) - параметр расстройки групповых скоростей волнудОьс) и удОьш) - групповые скорости сигнального и модулирующего излучения соответственно.2. Устройство для уменьшения пространственной когерентности импульсного лазерного излучения, содержащее источник импульсного сигнального излучения, микрообъектив для его ввода в нелинейную среду, выполненную в виде многомодового световолокна,и приемник излучения, отличающееся тем, что перед микрообъективом установлено селективное зеркало для направления в световолокно модулирующего импульсного лазерного излучения, на выходе световолокна установлен светофильтр для выделения сигнального излучения, а длина световолокна не превышает дисперсионную длину разбе гания ИМПУЛЬСОВ Ьш, ЗЗДЗВЗСМУЪО согласно выражениюш асш где Т - длительность максимально протяженного из взаимодействующих импульсов бст уОьс) - /1(7 ьш) - параметр расстройки групповых скоростей волн удОьс) и удОьш) - групповые скорости сигнального и модулирующего излучения соответственно.Изобретение относится к области управления параметрами лазерного излучения и может найти применение для подавления когерентных шумов (спекл-шумов) и улучшения пространственного разрешения в голографической интерферометрии, лазерной микроскопии, лазерной эндоскопии, лазерной фотолитографии, лазерном проекционном телевидении, лазерной скоростной фотографии.Известен способ и устройство уменьшения пространственной когерентности излучения, предложенные в работе 1 и основанные на осреднении во времени различных реализаций волновых фронтов излучения, переданного через деформируемое многомодовое световолокно. Независимые реализации волновых фронтов формируются в результате межмодовой интерференции излучения, рассеянного на изменяющихся во времени геометрических нерегулярностях (изгибах, изменениях формы и размера диаметра) многомодового световолокна. Нестационарность нерегулярностей обеспечивается так называемым модулятором межмодовой интерференции. В качестве его использован пьезоэлемент, соединенный со световолокном. Время усреднения волновых фронтов при этом определяется частотой вибрации световолокна и составляет не менее нескольких десятков микросекунд. Такой способ не пригоден для изменения когерентности излучения длительностью 5 10 нс.Устройство преобразования когерентности включает источник когерентного излучения,микрообъектив для ввода излучения в многомодовое световолокно, само световолокно, навитое на пьзокерамический цилиндр, и звуковой генератор, соединенный с пьезоэлементом. С помощью звукового генератора возбуждаются колебания пьзокерамического цилиндра. Эти колебания приводят к периодической деформации световолокна. Деформации вь 1 зь 1 вают изменение разности фаз между модами волокна, что приводит к формированию нестационарного случайного по пространству распределения интенсивности излучения. Усреднение интенсивности за время регистрации эквивалентно формированию источника излучения с пониженной пространственной когерентностью. Недостатком устройства является ограничение на частоту возбуждения пьзокерамики, связанное с уменьшением амплитуды колебаний ее поверхности при высоких значениях частот.Наиболее близкими по технической сущности К заявляемь 1 м являются способ и устройство декогерентизации импульсного лазерного излучения за короткие времена(5 10 нс) при относительно Малых его мощностях, предложенные в 2 (прототип). Способ заключается в формировании большого числа пространственных мод излучения в многомодовом световолокне и их ортогонализации, Которую осуществляют, возбуждая явление самомодуляции фазы излучения при рассеянии его на наведенных самим же излучением неоднородностях сердцевины световолокна в результате нелинейного взаимодействия его с этой сердцевиной. Недостатком способа является зависимость эффективности преобразования пространственной когерентности излучения от его мощности. Причем, чем выше мощность излучения, тем больше степень его пространственной декорреляции 3. При малой мощности излучения необходимо использовать световолоконо большой длины для накопления заметного нелинейного набега фаз мод излучения.Устройство преобразования когерентности включает источник импульсного когерентного излучения, нелинейную среду в виде многомодового световолокна, прозрачного на заданной длине волны излучения (например, кварца), микрообъектив для ввода излучения в световолокно и приемник излучения. Минимальная длина Ь световолокна, необходимая для эффективного преобразования когерентности излучения, определяется исходя из пиковой его мощности, которая при этом не должна превышать критическую мощность разрушения входного торца световолокна. Недостаток устройства состоит в том, что при малой пиковой мощности излучения длина световолокна должна быть достаточно большой. При наличии поглощения излучения это ведет к сильному ослаблению сигнала на выходе световолокна. Поэтому становится практически невозможным преобразование когерентности маломощного излучения в ультрафиолетовой области спектра длин волн.Задачей изобретения является осуществление эффективной декогерентизации импульсного лазерного излучения за короткие времена (5 10 нс) при малых его мощностях.Эта задача решается способом, включающим формирование большого числа пространственных мод сигнального излучения в многомодовом световолокне и их ортогонализацию. Ортогонализацию осуществляют кроссмодуляцией фаз мод посредством нелинейного изменения показателя преломления сердцевины световолокна наведенным другим оптическим полем на отличающейся от сигнального поля длине волны в области прозрачности световолокна с пиковой мощностью, примерно на два порядка большей пиковой мощности сигнального излучения, и распространяющимся совместно в световолокне, длина Ь которого не превышает дисперсионную длину разбегания импульсов Ьш,определяемую из соотношения 4ш С 1 СП 1 где Т - длительность максимально протяженного из взаимодействующих импульсов,аст уд 1(7 ьс) - УОьШ) - параметр расстройки групповых скоростей волн, Же - длина волны сигнального импульса, М, - длина волны модулирующего импульса, удОьс) - групповая скорость сигнального импульса, удОьт) - групповая скорость модулирующего импульса. При этом пиковая мощность модулирующего излучения не должна превышать критическую мощность разрушения торца световолокна.Для осуществления предлагаемого способа применяют устройство, включающее источник импульсного когерентного излучения, нелинейную среду, выполненную в виде многомодового световолокна, микрообъектив для ввода излучения в световолокно, приемник излучения, и дополнительно устанавливают селективное зеркало, отражающее по направлению сигнального поля модулирующее импульсное излучение на отличающейся от сигнала длине волны в области прозрачности световолокна и пиковой мощностью,примерно на два порядка большей пиковой мощности сигнального излучения, с максимальным коэффициентом отражения на длине волны модулирующего излучения под уг ВУ 12107 С 12009.06.30ЛОМ падения ВГО на зеркало, обеспечивающим ВВОД МОДУЛИРУЮЩВГО ИЗЛУЧСНИЯ В СВВТОВОЛОКНО, на ВЫХОДВ световолокна располагают светофильтр С максимальным КОЭффИЦИСНТОМ пропускания на ДЛИНС ВОЛНЫ сигнального ПОЛЯ ДЛЯ ОТДСЛВНИЯ ЭТОГО ПОЛЯ ОТ МОДуЛИруЮЩСГО ИЗЛуЧСНИЯ, а ДЛИНу световолокна выбирают РЗВНУЪО ИЛИ МСНЬШУЪО ДЛИНЫ ДИСПВРСИОННОГО разбегания ИМПУЛЬСОВ Ьш, ОПрСДСЛЯСМОЙ ИЗ СООТНОШВНИЯш асш где Т - длительность максимально протяженного из взаимодействующих импульсов,аст уд 1(7 ьс) - удОьш) - параметр расстройки групповых скоростей волн, Хо - длина волны сигнального импульса, М, - длина волны модулирующего импульса, удОьс) - групповая скорость сигнального импульса, удОьт) - групповая скорость модулирующего импульса. При этом пиковая мощность модулирующего излучения не должна превышать критическую мощность разрушения торца световолокна.Указанная последовательность выполнения операций в способе и предложенное устройство для его осуществления позволяют существенно уменьшить когерентность маломощного излучения на выходе световолокна за счет реализации кроссмодуляционного взаимодействия его с совместно распространяющимся в световолокне мощным излучением на отличающейся длине волны посредством нелинейного изменения показателя преломления сердцевины световолокна модулирующим излучением.Способ уменьшения пространственной когерентности маломощного сигнального импульсного излучения заключается в случайной пространственно-временной модуляции фаз его модовой структуры, сформировавшейся в световолокне, флуктуациями показателя преломления сердцевины световолокна, наведеннь 1 ми модовь 1 м распределением интенсивности модулирующего излучения на отличающейся от сигнального поля длине волны в области прозрачности световолокна с пиковой мощностью, примерно на два порядка большей пиковой мощности сигнального излучения, распространяющимся совместно в световолокне, и последующим усреднением амплитудно-фазовь 1 х распределений сигнального поля за время его регистрации.Устройство для реализации способа (фиг. 1) включает источник маломощного импульсного когерентного сигнального излучения 1 на длине волны Же, источник мощногоимпульсного модулирующего излучения 2 на отличающейся от сигнала длине волны Ат,селективное зеркало 3, направляющее модулирующее излучение по пути сигнального пучка, микрообъектив 4 для ввода сигнального и модулирующего излучений в световолокно, само многомодовое световолокно 5, интерференционный фильтр 6 для выделения сигнальной волны и приемник излучения 7.Принцип работы устройства состоит в следующем. Импульсные сигнальное и модулирующее излучения 1, 2 вводятся с помощью микрообъектива 4 с числовой апертурой,меньшей числовой апертуры световолокна, в многомодовое световолокно 5. В световолокне возбуждаются пространственные моды излучений. Вследствие неидеальности световолокна (наличие изгибов вдоль волокна, изменение его формы и диаметра) моды излучений на соответствующих длинах волн взаимодействуют (интерферируют) между собой, формируя случайные по пространству нестационарные распределения интенсивностей (спекл-структуры). При нелинейном взаимодействии мощного модулирующего излучения с сердцевиной световолокна индуцируется случайная модуляция диэлектрической проницаемости волноводной среды. Рассеяние сигнального излучения на наведенных модулирующей волной фазовых неоднородностях среды приводит к пространственной и временной модуляции фаз мод сигнальной волны и флуктациям ее интенсивности. Усреднение интенсивности сигнального поля за время регистрации аналогично формированию источника излучения с пониженной пространственной когерентностью.Проведенными экспериментальными исследованиями установлено, что наиболее эффективно уменьшение пространственной когерентности сигнального поля происходит примощности модулирующего излучения Р, близкой К критической мощности Ркр возбуждения вынужденного комбинационного рассеяния (ВКР) в световолокне 5 и равнойгде Зэфф 0152/0141), Ьэфф - 1 - ехр(-ос 1)/ос. Здесь Зэфф - эффективная площадь поперечного сечения сердцевины волокна, п - нормированное поперечное пространственное распределение поля в волокне, Ьэфф - эффективная длина световолокна, ос - линейные потери в световолокне на заданной длине волны излучения, Ь - длина световолокна, 3 - коэффициент усиления вынужденного комбинационного рассеяния.Длина использовавшегося в эксперименте световолокна с кварцевой основой равнялась - 100 м и была практически в два раза меньше длины дисперсионного разбегания взаимодействующих импульсов (сигнального на длине волны Же 532 нм и модулирующего на М, 1,06 мкм), имевших одинаковую длительность, равную 15 нс. При этом величина входной пиковой мощности Р модулирующего излучения, обеспечивавшая эффективное преобразование пространственной когерентности сигнального поля, составляла - 1 кВт и была примерно на два порядка меньше пиковой мощности разрушения входного торца световолокна, равной - 0,1 0,2 МВт 6. Пиковая мощность сигнального излучения, падающего на входной торец световолокна, составляла - 13 Вт. Селективное зеркало 3, использовавшееся для направления модулирующего излучения по пути сигнального пучка, имело коэффициент отражения, равный 99 на длине волны Жт 1,06 мкм под углом падения на него излучения, равным 45. Микрообъектив 4, служивший для ввода излучений в световолокно, имел фокусное расстояние 15 мм. Итерференционнь 1 й фильтр 6 практически полностью пропускал нормально падающее на него излучение с Жс 532 нм и поглощал излучение с Жш 1,06 мкм.На фиг. 2-5 представлены пространственные распределения интенсивности маломощного излучения (Р 13 Вт) второй гармоники УАСЪЪШ лазера Ома 532 нм) длительностью- 15 нс и шириной спектра Ашо 0,3 см 1, зарегистрированные ПЗС-линейнь 1 м приемником (п - номер канала приемника) в дальней зоне излучения, прошедшего через матовую пластинку (фиг. 2), и через ту же матовую пластинку после прохождения многомодового кварцевого световолокна со ступенчатым распределением показателя преломления длиной м 100 м с диаметром сердцевины - 50 60 мкм в отсутствии модулирующего излучения (фиг. 3) и совместно с модулирующим излучением (фиг. 4, 5) при пиковой мощности его Р, равной соответственно 0,06 и 1 кВт. Матовая пластинка используется в качестве индикатора степени пространственной когерентности излучения.Из пространственного распределения интенсивности излучения, зарегистрированного за матовой пластинкой и показанного на фиг. 2, видно, что оно сильно неоднородно. Данные флуктуации интенсивности являются результатом когерентного сложения рассеянных пластинкой световых полей со случайными фазами и свидетельствуют о высокой пространственной когерентности исходного излучения. Степень неоднородности сформированной структуры, называемой спекл-картиной, оценивают ее контрастом - параметром,равным отношению среднеквадратичного отклонения интенсивности к среднему ее значению. Контраст спекл-структуры, представленной на фиг. 2, усредненный по 20 зарегистрированным распределениям интенсивности, равен 0,19. Контраст спекл-структуры,сформированной на выходе световолокна низкоинтенсивным излучением в отсутствие модулирующего излучения, равен 0,15 (фиг. 3). Наблюдаемая разница контрастов обусловлена в основном дисперсией хода лучей в световолокне, приводящей к некогерентному сложению мод световолокна 7.Не происходит заметное уменьшение контраста спекл-структуры сигнального поля также, когда совместно с ним в световолокне распространяется модулирующее излучение малой мощности. Вид спекл-структуры сигнального излучения, зарегистрированной в