Введение к работе
Актуальность проблемы
С момента создания в 1960 году первого квантового оптического генератора - рубинового лазера - одной из важнейших задач квантовой электроники является наращивание пиковой мощности излучения. Самыми мощными источниками когерентного оптического излучения на сегодняшний день являются петаваттные лазеры, пиковая мощность излучения в которых достигает 1015 Вт [1-3]. При этом сравнительно небольшая энергия - несколько десятков джоулей - сосредотачивается в очень коротком импульсе, длительностью несколько десятков фемтосекунд. В основе работы петаваттных установок лежит открытый в 1985 г. принцип СРА [4] (англ. Chirped Pulse Amplification - усиление чирпированных импульсов), суть которого заключается в растягивании импульса более чем в 104 раз за счет линейной модуляции частоты (чирпирования), что значительно уменьшает интенсивность излучения и позволяет усиливать его в активной среде. После усиления осуществляется дисперсионное сжатие (процесс, обратный чирпированию) и импульс вновь становится коротким (в идеале - спектрально ограниченным). Как следствие, его интенсивность многократно возрастает. Для растягивания и сжатия импульса, как правило, используются пары отражательных дифракционных решеток.
В мире существует несколько проектов, направленных на дальнейшее увеличение пиковой мощности генерируемого лазерного излучения и продвижение в мультипетаваттный диапазон. Среди них можно выделить панъевропейский ELI (англ. Extreme Light Infrastructure) [5], российские PEARL-10 и XCELS [6], а также ряд 10 ПВт проектов во Франции [7], Великобритании [8], Японии [9], США [10] и Китае [11]. Все эти проекты можно условно разделить на 3 типа: в одних в качестве усиливающей среды используется не-одимовое стекло, в других - титан-сапфир Ti:Sa (корунд с титаном Ті:А1203), в третьих реализован принцип параметрического усиления на кристаллах DKDP (дейтерированный дигидрофосфат калия KD2P04). Во втором и третьем типах установок для накачки титан-сапфира либо параметрической накачки кристаллов DKDP предполагается использование второй гармоники излучения лазера на неодимовом стекле. Таким образом, лазерные усилители на неодимовом стекле являются неотъемлемой частью всех проектируемых мультипетаваттных лазерных комплексов.
Основным достоинством неодимового стекла по сравнению с другими известными на сегодняшний день лазерными средами является возможность создания активных элементов с большими объемом и апертурой, сочетающих в себе высокое оптическое качество и высокий уровень запасенной энергии. Это позволяет работать при относительно малой интенсивности лазерного поля (ниже порога оптического пробоя) вплоть до энергий килоджоульного уровня в импульсах наносекундной длительности. Именно такая энергия тре-
буется для реализации 10 ПВт проектов. Однако низкая теплопроводность стекла и большие тепловыделения в активных элементах вследствие ламповой накачки значительно ограничивают частоту повторения импульсов в этих системах. Во всех существующих лазерах на неодимовом стекле с энергией импульсов несколько сотен джоулей частота повторения составляет порядка 1 импульса в час, что определяется временем остывания активных элементов, по истечении которого можно пренебречь термонаведенными эффектами. Как следствие, во всех мультипетаваттных проектах предполагаемая частота повторения не превышает несколько импульсов в день, что сильно снижает эффективность научных исследований и ограничивает возможности практического применения мультипетаваттных лазеров, вследствие низкой скорости получения экспериментальных результатов. Важной и актуальной задачей является увеличение частоты повторения импульсов в таких системах.
Принципиальным ограничивающим фактором является разрушение активных элементов при превышении порога допустимых упругих напряжений. Однако существуют режимы работы, в которых порог разрушения не достигается, но накопление тепла от выстрела к выстрелу приводит к значительным искажениям поляризации и фазы излучения вследствие линейного расширения активных элементов, зависимости показателя преломления от температуры и фотоупругого эффекта, вызывающего появление двулучепрелом-ления и, как следствие, деполяризации излучения даже в изначально изотропной среде. Исследованию таких импульсно-периодических режимов работы широкоапертурных стержневых усилителей на неодимовом стекле посвящена существенная часть настоящей диссертации.
Отметим, что теоретическое и экспериментальное исследование термона-веденных поляризационных и фазовых искажений излучения началось практически сразу после изобретения лазера [12-14] и продолжается в наше время. Достаточно хорошо тепловые эффекты исследованы в неодимовом стекле [15-16]. Однако в публикациях, посвященных работе установок с энергией импульсов несколько сотен джоулей и выше, данный вопрос практически не обсуждается. Например, в статье [17], посвященной лазерному комплексу OMEGA, говорится о менее чем 3 % поляризационных потерь во всей установке, что типично для разовых систем, в которых не происходит накопления тепла в усилителях от выстрела к выстрелу, а нагрев активных элементов одиночным импульсом накачки в области, занятой излучением, достаточно однородный и, следовательно, не приводит к сколь-нибудь значимым упругим напряжениям.
Ситуация меняется при переходе к импульсно-периодическому режиму работы, роль тепловых эффектов в котором велика. Важной задачей является определение максимальной допустимой частоты следования импульсов накачки. Для этого требуется система диагностики упругих напряжений. Поскольку широкоапертурные лазерные усилители на неодимовом стекле - уникальные и дорогие устройства, то такая диагностика должна исключать раз-
рушение активных элементов. В диссертации предлагается новый, простой в реализации метод определения распределения температуры в активных элементах по измерению степени термонаведенной деполяризации излучения. Метод позволяет рассчитывать термонаведенные упругие напряжения в активной среде, причем определение уровня этих напряжений в работающей установке может производиться в режиме реального времени, что позволяет безопасно, контролируемым образом увеличивать частоту повторения импульсов накачки.
Наконец, большое значение имеет вопрос о борьбе с негативными тепловыми эффектами: термонаведенными линзой и деполяризацией. На сегодняшний день известно множество способов подавления термонаведенных искажений излучения. К нелинейно-оптическим методам компенсации деполяризации можно отнести пространственно-поляризационное обращение волнового фронта [18-19]. Среди линейных схем можно выделить две основные: схему с парой идентичных активных элементов и кварцевым вращателем поляризации на 90 между ними [20] и схему с фарадеевским зеркалом [21]. Для компенсации сильно аберрационной тепловой линзы применяют адаптивные системы [22] и обращение волнового фронта [18-19]. Очень актуальным представляется использование вышеперечисленных методов в "разовых" системах, таких как лазеры на неодимовом стекле с энергией импульсов до килоджоуля и выше, с целью увеличения частоты повторения импульсов.
Цель работы
Цель диссертационной работы состоит в теоретическом и экспериментальном исследовании термонаведенных искажений излучения, а также способов их подавления в мощных широкоапретурных лазерных усилителях на неодимовом стекле. В частности, основными задачами являются:
-
Разработка простого метода исследования и экспресс-диагностики термонаведенных поляризационных и фазовых искажений излучения и упругих напряжений в стержневых лазерных усилителях.
-
Экспериментальное исследование термонаведенных линзы и деполяризации в стержневых усилителях на неодимовом стекле с диаметром активных элементов от 4.5 см и больше в режиме часто повторяющихся импульсов накачки и расчет на основе анализа экспериментальных данных максимальной допустимой частоты следования импульсов.
-
Проведение экспериментов по восстановлению поляризации и фазового фронта лазерного излучения на выходе широкоапертурных усилителей на неодимовом стекле в режиме часто повторяющихся импульсов накачки.
-
Создание прототипа лазера для накачки титан-сапфирового мультипе-таваттного комплекса со следующими параметрами: энергия импульсов несколько сотен джоулей, частота повторения порядка одного импульса в минуту, близкое к дифракционному качество пучка.
Научная новизна, основные результаты и практическая значимость работы
Научная новизна и практическая значимость диссертационной работы обусловлены полученными оригинальными результатами, а именно:
-
Разработан новый метод определения распределения температуры, термонаведенных упругих напряжений и фазовых искажений излучения в лазерных стержневых активных элементах, основанный на восстановлении профиля температуры по измеренному распределению степени термонаведенной деполяризации излучения. Результат определения фазовых искажений излучения в активном элементе из неодимового стекла диаметром 4.5 см при помощи разработанного метода находится в хорошем согласии с данными прямых интерферометрических измерений фазового фронта. Таким образом, для диагностики фазовых искажений и контроля упругих напряжений в работающей установке достаточно измерять деполяризацию излучения, что гораздо удобнее и легче интерферометрических измерений и не требует изготовления и установки в оптический тракт дополнительных элементов. Диагностика может производиться в режиме реального времени, что позволяет безопасно, контролируемым образом увеличивать частоту повторения импульсов накачки. Данный результат очень важен с практической точки зрения, поскольку широкоапертурные лазерные усилители на неодимовом стекле - уникальные и дорогие устройства, и при определении максимальной частоты повторения импульсов требуется исключить разрушение активных элементов.
-
В режиме часто повторяющихся импульсов накачки (1 импульс в 3 минуты) проведено экспериментальное исследование термонаведенных искажений излучения в стержневых широкоапертурных (диаметром до 10 см) усилителях на неодимовом стекле в составе лазера для накачки параметрического каскада мультипетаваттного комплекса PEARL-10. Установлено, что упругие напряжения в стержнях с апертурой до 10 см не превышают в исследованном режиме работы 15% от порога разрушения активной среды. На основании проведенных исследований период повторения импульсов в действующем лазере сокращен с 40 до 5 минут.
-
Показано, что при запасаемой энергии 110 Дж в лазерном усилителе со стержневым активным элементом из неодимового стекла диаметром 4.5 см в режиме 1 импульс в минуту уровень упругих напряжений составляет 20% от порога разрушения. Термонаведенная деполяризация в схеме с двумя такими усилителями и кварцевым 90 вращателем поляризации между ними уменьшена с 35% до 2%, что не более чем в 2 раза отличается от уровня деполяризации в остывших активных элементах.
-
На основе экспериментальных данных проанализирован импульсно-периодический режим работы стержневых широкоапертурных усилителей на неодимовом стекле (диаметры 4.5, 6, 8.5 и 10 см). Найдены оптимальные со-
отношения между запасенной энергией и частотой повторения импульсов накачки в исследованных усилителях.
5. Создан компактный лазер на неодимовом стекле с энергией импульсов 220 Дж и частотой их повторения 0.02 Гц (диаметр пучка 4.3 см, коэффициент заполнения апертуры 0.8, длительность импульса по полувысоте 30 не). Расходимость излучения составила 2.5 дифракционных предела, что позволит с высоким КПД удвоить частоту излучения. Искажения фазы излучения скомпенсированы за счет обращения волнового фронта при вынужденном рассеянии Мандельштама - Бриллюэна. Деполяризация уменьшена с 25% до 0.4% за счет использования линейных методов компенсации: установки между усилителями (стержни диаметром 4.5 см) кварцевых 90 вращателей поляризации и использования фарадеевского зеркала. Излучение второй гармоники лазера может быть использовано для накачки мультипетаваттного комплекса на основе Ti:Sa с рекордной частотой повторения импульсов (1 импульс в минуту).
Основные положения, выносимые на защиту
-
Распределения температуры, термонаведенных упругих напряжений и фазовых искажений излучения в лазерных стержневых активных элементах могут быть однозначно определены по измеренному распределению степени деполяризации. Точность предложенного метода сравнима с точностью ин-терферометрических измерений.
-
Оптимальное соотношение между запасенной энергией и частотой повторения импульсов накачки в стержневых лазерных усилителях может быть найдено, зная коэффициент усиления по слабому сигналу и степень деполяризации излучения, измеренные при низкой частоте повторения импульсов -в режиме, безопасном с точки зрения термомеханических разрушений.
-
Разработанные усилители с активными элементами диаметром 4.5 см (10 см) запасают в виде инверсии населенностей до 110 Дж (280 Дж) энергии за 1 импульс накачки и обладают пятикратным запасом прочности по отношению к термомеханическим разрушениям при частоте повторения 1 импульс в минуту (2.5 минуты). Это в несколько раз превосходит частоту повторения импульсов в усилителях, использовавшихся ранее в петаваттном комплексе PEARL.
-
Обращение волнового фронта и линейные методы компенсации термо-наведенных искажений излучения позволяют уменьшить расходимость излучения двухпроходного лазера с четырьмя усилителями на неодимовом стекле апертурой 4.5 см с 8.3 до 2.5 дифракционных пределов, а интегральную степень деполяризации излучения - с 25% до 0.4%. Энергия импульсов на выходе этого лазера составляет 220 Дж при частоте повторения 0.02 Гц (длительность импульсов по полувысоте 30 не). Излучение второй гармоники может быть использовано для накачки мультипетаваттного комплекса на основе Ti:Sa.
Достоверность научных результатов
Все полученные в диссертации результаты достоверны и обоснованы. Экспериментальные результаты получены по апробированным методам и подтверждаются теоретическими расчетами, базирующимися на хорошо известных из литературы моделях. Экспериментальные данные, полученные независимыми методами, хорошо согласуются друг с другом и показывают высокую повторяемость. Основные положения диссертации опубликованы в ведущих рецензируемых научных журналах и неоднократно докладывались на российских и международных конференциях, а также семинарах ИПФ РАН и других организаций в России и за рубежом.
Апробация результатов
Материалы диссертации опубликованы в шести статьях в реферируемых журналах [А1-А6] и в трудах SPIE [А7]. Результаты докладывались на многочисленных международных конференциях и опубликованы в трудах и тезисах этих конференций [А8-А17]: Laser Optics (2008, 2010, 2012), Russian-French-German Laser Symposium (2009), SPIE Photonics Europe (2010), SPIE Optics + Optoelectronics (2011), Topical Problems of Biophotonics (2011), Nonlinear Optics: East-West Reunion (2011), ISTC-GSI Young scientists school (2011), International Committee on Ultra Intense Lasers Conference (2012).
Личный вклад автора
Научным руководителем были поставлены задачи и определены основные направления научных исследований.
Результаты решения задачи фотоупругости в стержневой геометрии активного элемента, приведенные в параграфе 1.1 главы 1, хорошо известны из процитированной литературы. В то же время, идея решения обратной задачи и разработка на основе этого решения метода определения распределения температуры, термонаведенных упругих напряжений и фазовых искажений излучения в активном элементе (параграфы 1.2-1.4) принадлежат автору.
Теоретический расчет и численное моделирование физических процессов, рассмотренных в диссертации, проведены автором лично.
Эксперимент по измерению искажений фазы излучения в активном элементе диаметром 4.5 см (параграф 1.4) при помощи интерферометра Маха -Цендера выполнен совместно с Д.Е. Силиным и И.Е. Кожеватовым. Все остальные эксперименты планировались совместно с научным руководителем и проводились автором под его общим руководством.
(1)
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы. Объем работы составляет 112 страниц, 49 рисунков, 6 таблиц, 140 ссылок на литературу.
