Введение к работе
Актуальность проблемы
В последние годы большое внимание уделяется созданию сверхмощных лазерных источников. Их использование в фундаментальных и прикладных научных исследованиях, в технике, для промышленных и медицинских приложений открывает новые перспективы. Исследование свойств материи, находящейся в экстремальном состоянии, ускорение заряженных частиц, лазерный термоядерный синтез, протонная терапия - вот далеко не полный перечень актуальных задач, решение которых возможно с помощью лазерных систем, пиковая мощность которых превышает петаватт.
Лазерные источники импульсного излучения тераваттного, а тем более петаваттного уровня мощности основаны на методе усиления чирпированных импульсов (chirped pulse amplification - СРА) [1]. Основная идея СРА метода состоит в усилении предварительно растянутого во времени сверхкороткого импульса и последующем его сжатии до первоначальной длительности. Растяжение уменьшает пиковую мощность импульса на порядки, что позволяет пропускать его через усиливающую среду без повреждения ее световым полем.
Одними из основных элементов CPA системы являются стретчер и компрессор. Контролируемое растяжение и сжатие (рекомпрессия) сверхкоротких импульсов осуществляется в результате их чирпирования (фазовой модуляции) благодаря дисперсии этих оптических устройств. Наибольшее распространение получили стретчеры и компрессоры, основанные на дифракционных решетках [2, 3], поскольку решетки обладают рекордно большой дисперсией и способны обеспечить максимальные коэффициенты растяжения - сжатия.
Характеристики рекомпрессированного импульса – длительность, контраст, наличие сателлитов – зависят от согласования стретчера и компрессора в различных порядках дисперсии фазового набега. Таким образом, проблема согласования дисперсионных характеристик этих устройств является основной при создании лазерных СРА систем [4, 5]. Эта задача тесно связана с задачей повышения точности юстировки взаимного положения решеток [6-8], ответственной за пространственно - временные характеристики фемтосекундных импульсов. Разработка оригинальных схем согласованных стретчеров и компрессоров [9-12], а также создание методик их точной настройки и юстировки [13-15] позволяет продвигаться к недоступным ранее мощностям лазерного излучения. Предложенные в диссертационной работе методы перспективны для настройки действующих и строящихся петаваттных и мультипетаваттных СРА и ОРСРА лазерных систем, в том числе использующих в компрессоре составные (мозаичные, черепичные) решетки.
В 2001 году в ИПФ РАН совместно с РФЯЦ-ВНИИЭФ были начаты работы по созданию первой в России петаваттной лазерной системы. Была разработана оригинальная лазерная система [16], основанная на параметрическом усилении чирпированных импульсов (optical parametric chirped pulse amplification, ОРСРА) [17, 18] с преобразованием частоты в нелинейном кристалле DKDP. Ее принципиальное отличие от традиционных ОРСРА систем состоит в том, что в первый каскад усиления инжектируется стретчированное излучение на одной длине волны, а в последующие каскады и компрессор направляется излучение с сопряженной длиной волны, рожденное за счет трехволнового взаимодействия в первом каскаде. Представленные в настоящей диссертационной работе результаты были получены при проектировании, создании и юстировке стретчеров и компрессоров для тераваттного, субпетаваттного и петаваттного лазерных комплексов PEARL и ФЕМТА в ИПФ РАН и РФЯЦ-ВНИИЭФ.
Цель работы
Цель настоящей работы заключается в теоретическом и экспериментальном исследовании системы стретчер-компрессор для сверхмощных лазерных систем, основанных на методе параметрического усиления чирпированных импульсов с преобразованием частоты. В частности:
1. Исследование условий согласования дисперсионных характеристик стретчера и компрессора в схеме ОРСРА с преобразованием частоты,
2. Создание для схемы ОРСРА с преобразованием частоты стретчера, согласованного по дисперсионным характеристикам со стандартным компрессором,
3. Разработка методик настройки и юстировки стретчера и компрессоров для минимизации длительности выходных импульсов лазерной системы,
4. Создание компрессоров чирпированных импульсов для тераваттного, субпетаваттного и петаваттного уровней пиковой мощности излучения.
Научная новизна и практическая значимость работы
С точки зрения согласования дисперсионных характеристик стретчера и компрессора исследована оригинальная, ранее не использовавшаяся схема параметрического усиления чирпированных импульсов с преобразованием частоты. В основе этой схемы лежит широкополосное преобразование инжектируемого излучения с частотой 2 в сопряженное излучение с частотой 1, которое затем компрессируется. В работе получены соответствующие условия согласования, принципиально отличающиеся от традиционных условий для классических ОРСРА систем.
Для ОРСРА лазерной системы с преобразованием частоты рассчитан и создан оригинальный гибридный призменно-решеточный стретчер, дисперсионные характеристики которого согласованы с характеристиками традиционного компрессора до четвертого порядка дисперсии включительно. Показано теоретически и подтверждено экспериментально, что относительным положением призм можно осуществлять практически независимую регулировку второго, третьего и четвертого порядков дисперсии гибридного стретчера.
Разработаны оригинальные методики юстировки двухрешеточного и четырехрешеточного компрессоров сверхмощных оптических импульсов, позволяющие с секундной точностью выполнять дистанционную настройку относительного положения дифракционных решеток по трем угловым степеням свободы, оперативно контролировать точность прохождения по компрессору сигнального излучения.
Впервые экспериментально продемонстрировано, что применение в многокаскадной схеме ОРСРА с преобразованием частоты призменно-решеточного стретчера и согласованного с ним компрессора позволяет растягивать сверхкороткие импульсы излучения с центральной длиной волны 1250 нм, а затем сжимать усиленные импульсы на сопряженной длине волны 910 нм до длительности, близкой к исходной.
В 2004 году на оригинальной созданной в ИПФ РАН лазерной ОРСРА системе с призменно-решеточным стретчером и согласованным с ним компрессором была получена тераваттная мощность излучения. В 2005 году за счет добавления каскада усиления и перехода от однорешеточного компрессора к двухрешеточному был преодолен рубеж пиковой мощности в 100 ТВт, а концу 2006 года на лазерном комплексе, получившим название PEARL (PEtawatt pARametric Laser), были получены импульсы с пиковой мощностью до 0.56 ПВт. В 2008 году в РФЯЦ-ВНИИЭФ совместно с ИПФ РАН был запущен лазерный комплекс петаваттного уровня мощности ФЕМТА, построенный на принципе ОРСРА с преобразованием частоты и с использованием четырехрешеточного компрессора, на котором были получены импульсы длительностью 70 фс с мощностью 1 ПВт, что является мировым рекордом для систем параметрического усиления чирпированных импульсов.
Основные положения, выносимые на защиту
1. Условия согласования дисперсионных характеристик стретчера и компрессора при инжекции широкополосного излучения с частотой 2 в параметрический усилитель чирпированных импульсов, преобразующий излучение в сопряженное с частотой 1, которое затем компрессируется, следующие: дисперсии четных порядков этих устройств должны быть равны по величине и знаку, в то время как дисперсии нечетных порядков должны быть равны по абсолютной величине, но иметь противоположный знак.
2. В схеме параметрического усиления чирпированных импульсов с инжекцией холостой (сигнальной) волны и компрессией сигнальной (холостой) волны оригинальный гибридный стретчер, основанный на параллельных дифракционных решетках с расположенными между ними двумя призмами с одинаковыми углами при вершинах, позволяет согласовать дисперсионные характеристики стретчера и компрессора до четвертого порядка дисперсии включительно.
3. Оригинальная конструкция блока крепления и юстировки дифракционной решетки, включающая расположенный над решеткой стеклянный оптический кубик с попарно параллельными противоположными полированными гранями, позволяет с помощью автоколлиматора настраивать рабочую плоскость и направление штрихов решетки параллельно вертикальной оси ее вращения с точностью до единиц угловых секунд.
4. Оригинальные методики юстировки двухрешеточного и четырехрешеточного компрессоров оптических импульсов, основанные на применении специально разработанных оптических схем настройки и диагностики с системой стационарных и вбрасываемых зеркал, на выборе длин волн юстировочного излучения, а также на использовании оригинального блока юстировки дифракционной решетки, позволяют с секундной точностью выполнять дистанционную настройку относительного положения дифракционных решеток и направления их штрихов, устанавливать заданную величину угла падения излучения на первую решетку компрессора, оперативно контролировать точность прохождения по компрессору сигнального излучения.
-
Применение в многокаскадной схеме параметрического усиления чирпированных импульсов оригинального гибридного призменно-решеточного стретчера и согласованного с ним по порядкам дисперсии спектральной фазы традиционного компрессора позволяет растягивать фемтосекундные импульсы излучения с центральной длиной волны 1250 нм, а затем сжимать усиленные импульсы на сопряженной длине волны 910 нм до длительности, близкой к исходной. Использование двухпроходного двухрешеточного компрессора позволяет получать в лазерном комплексе PEARL импульсы излучения длительностью 43 фс с мощностью более 0.5 ПВт, а четырехрешеточного компрессора в лазерном комплексе ФЕМТА - импульсы длительностью 70 фс с мощностью 1 ПВт, что является мировым рекордом для систем параметрического усиления чирпированных импульсов.
Апробация результатов
Материалы диссертации опубликованы в семи статьях в рецензируемых журналах [А1-А7]. Результаты докладывались на многочисленных международных конференциях и опубликованы в трудах и тезисах этих конференций: Photonics West (2002, 2006), International Quantum Electronics Conference, IQEC (2002, 2004), Conference on Lasers and Electro-Optics, CLEO (2002, 2004, 2005, 2006), Conference on Laser Optics (2003, 2006), Russian-French Laser Symposium, RFLS (2003, 2005), International Symposium on Topical Problems of Nonlinear Wave Physics, NWP (2003, 2005, 2008), International Symposium on Modern Problems of Laser Physics, MPLP (2004), Advanced Solid-State Photonics, ASSP (2004, 2006), Frontiers of Nonlinear Physics, FNP (2004, 2007), International Conference on Advanced Laser Technologies, ALT (2005), Russian-German Laser Symposium, RGLS (2005), International Conference on High Power Laser Beams, HPLB (2006), ICO Topical Meeting on Optoinformatics/Information Photonics (2006), International Conference on Ultra Intense Laser Interaction Sciences, ULIS (2007), Международная конференция Х Харитоновские тематические научные чтения (2008), International Conference on Ultrahigh Intensity Lasers (2008), CLEO Europe (2007, 2009), International Conference on Coherent and Nonlinear Optics, ICONO (2005, 2007, 2010), International Conference on Lasers, Applications, and Technologies, LAT (2005, 2010).
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из Введения, двух Глав, Заключения и списка литературы. Объем работы составляет 121 страницу, которые содержат 68 рисунков, 1 таблицу, 169 ссылок.
