Введение к работе
Актуальность проблемы
Лазеры петаваттного уровня пиковой мощности - один из передовых рубежей современной науки, открывающий широкие горизонты для новых практических приложений и уникальных фундаментальных исследований. Петаваттные лазеры позволяют создавать и изучать недостижимые ранее в лабораторных условиях экстремальные состояния вещества, осуществлять ускорение заряженных частиц до ультрарелятивистских энергий с рекордными темпами, на несколько порядков превосходящими лучшие показатели традиционных ускорителей, получать сверхкороткие импульсы рентгеновского и гамма-излучения рекордной яркости.
Достижение столь высокой мощности стало возможно благодаря изобретению в 1985 году метода усиления чирпированных (растянутых во времени, частотно-модулированных) импульсов — CPA (Chirped Pulse Amplification) [1], в котором перед усилением фемтосекундный импульс растягивается до длительности порядка 1 не, что уменьшает его мощность и позволяет усилить до большой энергии без самофокусировки и оптического пробоя, а затем сжимается до исходной длительности с помощью дифракционных решеток, имеющих высокий порог пробоя, так как свет только отражается от них и не проходит внутрь материальной среды.
Впервые петаваттный уровень импульсной мощности был продемонстрирован [2] на основе CPA в неодимовом стекле в 1997 году, длительность импульса составила 440 фс при энергии 600 Дж. Открытие кристалла титан- сапфира [3] позволило получить значительно более короткие импульсы и привело к созданию петаваттного лазера [4] с гораздо меньшей энергией импульса — 28 Дж при длительности 33 фс. Параллельно с развитием CPA происходило развитие нового метода получения сверхмощных импульсов, основанного на параметрическом усилении света в нелинейно-оптических кристаллах (Optical Parametric Chirped Pulse Amplification — OPCPА). Впервые идея о применении параметрического усиления вместо лазерного для получения сверхмощных лазерных импульсов была выдвинута в 1986 году группой А. Пискарскаса [5].
Таким образом, все существующие и проектируемые петаваттные лазеры можно разделить на три типа по усиливающей среде: неодимовое стекло, ти- тан-сапфир и параметрические усилители на кристаллах KDP и DKDP. Узкая полоса усиления лазерных стекол с неодимом и апертура доступных кристаллов титан-сапфира ограничивают продвижение первых двух типов лазеров в мультипетаваттный диапазон мощностей. От вышеуказанных недостатков свободны параметрические усилители, поскольку апертура выращиваемых сейчас нелинейных кристаллов KDP и DKDP составляет 40 см [6, 7], что сравнимо с размерами элементов из неодимового стекла, а полоса усиления сравнима с полосой титан-сапфира.
В 2007 году в Институте прикладной физики РАН на основе оптического параметрического усиления был создан лазерный комплекс PEARL (PEtawatt pARametric Laser) с пиковой мощностью излучения 0.56 ПВт. Настоящая диссертация состоит из результатов, полученных автором в ходе теоретических и экспериментальных исследований многокаскадного широкополосного параметрического усиления, проведенных при разработке и создании этого лазерного комплекса.
Цель работы
Цель настоящей работы заключается в теоретическом и экспериментальном исследовании и оптимизации пространственных и спектральных характеристик многокаскадных параметрических усилителей петаваттного уровня мощности. В частности:
-
Исследование условий и характеристик широкополосного параметрического усиления в нелинейных кристаллах ВВО, KDP и DKDP.
-
Оптимизация параметров пучков и импульсов взаимодействующих волн в параметрических усилителях стартовой системы.
-
Разработка процедуры юстировки широкополосных параметрических усилителей, в том числе при разовом режиме работы лазера накачки.
-
Формирование необходимой пространственной структуры усиливаемого излучения с учетом нелинейных искажений профиля пучка в параметрических усилителях.
-
Экспериментальное исследование спектральных характеристик многокаскадного параметрического усилителя чирпированных импульсов; их оптимизация с помощью акустооптической линии задержки, модифицирующей спектральную амплитуду и фазу импульсов фемтосекундного источника.
Научная новизна и практическая значимость работы
Впервые выявлены общие условия широкополосного параметрического усиления в кристаллах ВВО, KDP и DKDP. Показано, что существенное влияние на спектральные характеристики усиления имеет соотношение между удвоенной длиной волны накачки и критической длиной волны, при которой обращается в ноль вторая производная волнового числа обыкновенной волны по частоте.
Показано, что при использовании в качестве накачки излучения второй гармоники мощных неодимовых лазеров кристалл DKDP, не рассматривавшийся ранее в качестве нелинейного элемента последних каскадов усиления в OPCPA системах с мультитераваттной и петаваттной пиковой мощностью, является более перспективным, чем кристалл KDP.
На основе численного моделирования процесса неколлинеарного тре- хволнового взаимодействия выполнена оптимизация стартовой части лазерного комплекса PEARL.
Впервые проведено экспериментальное исследование характеристик параметрического усиления в петаваттном диапазоне мощностей. Исследованы спектральные характеристики усилителей и пространственная структура сигнального излучения, предложены методы ее формирования. С практической точки зрения важной задачей являлась выработка процедуры юстировки оконечного параметрического усилителя, накачкой которого служил лазер с низкой частотой повторения импульсов - один импульс в 30 минут.
Исследована оригинальная акустооптическая линия задержки (Acousto- optical Delay Line - AODL) для управления спектральной амплитудой и фазой импульсов фемтосекундного источника, разработанная и созданная в Московском институте стали и сплавов совместно с Воронежским государственным университетом и ИПФ РАН. Показано, что она превосходит коммерчески доступные аналоги по эффективности преобразования и стабильности работы.
Применимость полученных в диссертации результатов, несомненно, выходит за рамки использования их при создании комплекса PEARL. Предложенная в диссертационной работе схема OPCPA и методы настройки параметрических усилителей использовалась в РФЯЦ-ВНИИЭФ, где в 2008 г. была запущена установка с параметрическим усилением фемтосекундных импульсов "ФЕМТА" [8], использующая для накачки оконечного каскада комплекс «ЛУЧ» [9], работающий с частотой повторения два лазерных импульса в день. Предложенная в диссертационной работе концепция сверхмощных лазеров на OPCPA с центральной длиной волны сигнального излучения 910 нм в кристалле DKDP признана наиболее перспективной во всем мире. Она лежит в основе создаваемых петаваттных лазерных комплексов в Рочестер- ском университете (США), Шанхайском институте оптики и точной механики (Китай), а также в основе 10-ти петаваттных проектов PEARL-IO в ИПФ РАН [10] и VULCAN-IOPW [11] в Резерфордовской лаборатории (Великобритания) на основе килоджоульного лазера VULCAN [12].
Основные положения, выносимые на защиту
-
-
При параметрическом взаимодействии I типа в кристаллах KDP, DKDP и BBO максимальная ширина полосы усиления достигается при значении удвоенной длины волны накачки меньшем, чем критическая длина волны, при которой обращается в ноль вторая производная волнового числа обыкновенной волны по частоте. В этом случае существует такая длина сигнальной волны (причем она всегда меньше, чем длина холостой волны), для которой выполняются условия сверхширокого синхронизма: в разложении расстройки волновых векторов в ряд Тейлора по отклонению частоты сигнала от центральной три первых члена равны нулю.
-
Кристалл DKDP является наиболее перспективным нелинейным элементом последних каскадов параметрического усиления в лазерах с петаватт- ной мощностью. При накачке излучением второй гармоники неодимового лазера в кристалле DKDP существует сверхширокополосное параметрическое усиление излучения с центральной длиной волны в 910 нм. Ширина полосы усиления достигает 2300 см4, что, как минимум, вдвое больше, чем в кристалле KDP, в котором максимальная полоса усиления достигается при вырожденном взаимодействии.
-
Методика настройки параметрических усилителей с помощью наблюдения спектр-угловой диаграммы параметрической люминесценции позволяет проводить независимую настройку двух углов синхронизма при неколли- неарной геометрии трехволнового взаимодействия, что особенно важно для мощных параметрических усилителей, накачкой которых служит лазер, работающий в разовом режиме.
-
При размере сигнального пучка на выходе параметрического усилителя в несколько раз больше величины его сноса, он имеет характерную структуру: яркие штрихи, вытянутые в направлении критической плоскости; в поперечном направлении размер штрихов соответствует масштабу неоднородности накачки.
-
Увеличение ширины спектра сигнального излучения до 690 см 1 при входной ширине спектра 400 см 1 связано с насыщением параметрического усиления и обратной перекачкой мощности из сигнальной волны в волну накачки. Этому спектру при идеальной компрессии соответствует импульс с длительностью 33 фс.
-
Разработанная для управления спектральной амплитудой и фазой импульсов акустооптическая линия задержки превосходит коммерчески доступные аналоги по таким параметрам как эффективность преобразования, стабильность работы и простота интегрирования в лазерную систему. Она позволяет за счет модуляции спектра инжектируемого фемтосекундного импульса двукратно увеличить ширину спектра сигнала на выходе параметрического усилителя.
Апробация результатов
Материалы диссертации опубликованы в семи статьях в реферируемых журналах [А1-А7]. Результаты докладывались на многочисленных международных конференциях и опубликованы в трудах и тезисах этих конференций: Photonic West (2002, 2003, 2006), International Quantmn Electronics Conference (2002), Conference of Nonlinear Optics: materials, fundamentals and applications (2007), Conference on Laser Optics (2003, 2006, 2008), International Conference on Coherent and Nonlinear Optics (2005, 2007), Advanced Solid-State Photonics (2004, 2006), Modern Problems of Laser Physics (2004), International Symposium Topical Problem of Nonlinear Wave Physics (2005), International Conference on Lasers, Applications, and Technologies (2005), International Conference on High
Power Laser Beams (2006), Conference on Lasers and Electro-Optics (2002, 2004, 2005, 2006), International Conference on Advanced Laser Technologies (2005), Nonlinear Optics: East-West Reunion (2011), SPIE Optics + Optoelectronics (2011), Laser Beam Shaping (2010).
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, двух глав, заключения и списка литературы. Объем работы составляет 102 страницы, 55 рисунков, 2 таблицы, список литературы содержит 95 ссылок.
Похожие диссертации на Оптимизация пространственных и спектральных характеристик многокаскадных параметрических усилителей петаваттного уровня мощности
-
