В ряде практических приложений возникает задача передачи лазерной энергии на значительные расстояния. Для повышения плотности энергии в конце трассы требуется повышение мощности лазерного пучка. Однако в системе формирования лазерного пучка мощное излучение неравномерно нагревает её оптические элементы, что приводит к возникновению термоаберраций и отклонению волнового фронта пучка от заданного распределения. Термоискажения волнового фронта значительного увеличивают расходимость лазерного пучка, по сравнению с дифракционной. В результате происходит уменьшение плотности мощности излучения в приосевой области поперечного сечения пучка и эффективность передачи лазерной энергии снижается. Возникает задача компенсации аберраций передающей системы и коррекции волнового фронта лазерного пучка.
Существует две классические схемы адаптивного управления волновым фронтом (ВФ): фазового сопряжения и апертурного зондирования. Система фазового сопряжения предполагает использование опорного источника и датчика волнового фронта анализирующего аберрации фазы опорного источника. Однако использование таких схем на практике не всегда представляется возможным. В [1] предложена альтернатива в качестве «опорного источника» использовать атмосферу. При распространении лазерного пучка в атмосфере всегда какая-то его часть «отражается» в обратном направлении- происходит аэрозольное и молекулярное рассеяние. Мощность рассеянного назад излучения зависит от мощности распространяющегося пучка. Плотность мощности зависит от расходимости пучка, которая в свою очередь зависит от наличия термоаберраций. В таком случае, если использовать для регистрации рассеянного назад излучения приёмник с малым полем зрения, то принимаемая им мощность будет чувствительна к изменению расходимости пучка и может служить сигналом для управления адаптивным зеркалом. Такая схема не требует датчика волнового фронта для выработки сигнала управления. Этим реализуется схема апертурного зондирования.
Однако всё же мощность рассеянного в обратном направлении излучения мала и зарегистрировать сигнал приёмником с малым полем зрения не всегда удаётся. Выйти из этого положения может помочь использование обратно рассеянного излучения вспомогательного пучка, сфокусированного на относительно близкое расстояние. Мощности рассеянного назад излучения с области перетяжки будет достаточно для регистрации приёмником с малым углом поля зрения. Тогда, если основной и вспомогательный пучки приобретают одинаковые искажения, то подавляя искажения вспомогательного пучка, автоматически будет исправляться ВФ и основного пучка.
Целью работы является экспериментальное исследование точности компенсации искажений волнового фронта лазерного пучка с помощью адаптивного управления по сигналу обратного атмосферного рассеяния излучения на другой длине волны. Достижение поставленной цели требует решения следующих задач:
1) Изучение метода апертурного зондирования адаптивной коррекции ВФЛП по сигналу обратного атмосферного рассеяния излучения дополнительного лазерного источника (ДЛИ) на другой длине волны;
2) Изучение принципов работы датчика волнового фронта. Овладение навыками работы с датчиком волнового фронта. Проведение экспериментов по регистрации ВФЛП, отражённого от адаптивного зеркала, при различных аберрациях ВФЛП, задаваемых гибким зеркалом и контролируемых датчиком волнового фронта;
3) Модернизация атмосферного стенда по исследованию адаптивного управления ВФЛП по сигналу обратного рассеяния дополнительного лазерного источника;
4) Проведение экспериментов по адаптивному управлению ВФЛП по сигналу обратного атмосферного рассеяния ДЛИ;
5) Анализ эффективности адаптивного управления ВФЛП по сигналу обратного рассеяния ДЛИ на основе анализа датчиком волнового фронта начальных искусственно введённых аберраций ВФЛП и остаточных аберраций ВФЛП после адаптивной коррекции.
На защиту выносится следующие положение: метод апертурного зондирования по сигналу обратного атмосферного рассеяния излучения дополнительного (зондирующего) лазерного источника позволяет компенсировать аберрации волнового фронта лазерного пучка типа «дефокусировка» до величины 1 X, при начальных искажениях 7 X.
Апробация работы: результаты и выводы полученные в ходе выполнения данной работы докладывались на:
1) международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы радиофизики 2013» (г. Томск 2013) [11];
2) XX рабочей группе «Аэрозоли Сибири» (г. Томск 2013) [12);
3) Первой всероссийской конференции студенческого научно-исследовательского инкубатора (СНИИ) (г. Томск 2014) [13];
4) Международная молодежная научная школа «Актуальные проблемы радиофизики» (г. Томск 2014) [14];
5) XXI группе «Аэрозоли Сибири» (г. Томск 2014)[15,16];
6) XXI международном симпозиуме «Оптика атмосферы и океана. Физика атмосферы»(г. Томск 2015) [17,18]4
7) XXII рабочей группе «Аэрозоли Сибири» (г. Томск 2015) [19,20];
8) XXIII рабочей группе «Аэрозоли Сибири» (г. Томск 2016) [21].
На основании выполненных работ можно сделать следующие выводы:
1) введение в оптическую схему атмосферного стенда двух телескопов позволяет осуществлять независимую фокусировку основного и дополнительного лазерных пучков;
2) внедрение дополнительного оптического канала содержащего в себе датчик Шака-Гартмана позволяет отслеживать компенсацию аберраций волнового фронта основного лазерного в ходе адаптивного управлению по сигналу обратного атмосферного рассеяния излучения дополнительного лазерного источника с использованием методом апертурного зондирования;
3) атмосферный эхо-сигнала лазерного излучения на длине волны по 1,069 мкм с дистанции 300 м позволяет выполнять адаптивное управление гибким зеркалом и осуществлять коррекцию искусственно введенных аберраций волнового фронта пучка излучения другого (основного) лазерного источника на длине волны 0,532 мкм. Происходит падение аберраций волнового фронта, измеренных датчиком Шака-Гартмана, до уровня в l 1 от плоской волны, при начальных отклонениях за счет аберраций до
В дальнейшем рекомендуется экспериментальное исследование качества подавления аберраций при различной дальности фокусировки дополнительного лазерного пучка, а так же увеличение уровня вносимых искусственно аберраций ВФ.
