Лазеры петаваттного уровня пиковой мощности — один из передовых рубежей современной науки, открывающий широкие горизонты для новых практических приложений и уникальных фундаментальных исследований. При фокусировке петаваттного лазерного импульса фемтосекундной длительности достигаются гигантские значения интенсивности светового излучения 1022 Вт/см2 и выше, при этом напряженность электрического поля на 3 порядка превосходит внутриатомное значение, а плотность энергии и световое давление больше соответствующих значений внутри Солнца или в эпицентре ядерного взрыва. 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. Они завоевывают области перспективных применений в ускорительной технике, энергетике, биомедицине, диагностике, военно-технических приложениях.
С момента создания более 50-ти лет назад первого лазера одной из важнейших целей квантовой электроники было и остается увеличение пиковой мощности лазерного излучения. Появление методов укорочения лазерных импульсов, таких как модуляция добротности и синхронизация мод, привело к экспоненциальному возрастанию достигнутых интенсивностей, и уже к концу 1960;х годов был превышен уровень 1014 Вт/см2. Это казалось естественным пределом для обычных лазерных сред, поскольку попытки получения больших интенсивностей сопровождались самофокусировкой излучения, оптическим пробоем материалов и их разрушением.
Изобретение в 1985 г. метода усиления чирпированных (частотно-модулированных) импульсов (Chirped Pulse Amplification — CPA) [1] позволило преодолеть эти сложности. Идея метода заключается в том, что исходный лазерный импульс пропускается через стретчер — дисперсионную оптическую систему, придающую импульсу сильную линейную частотную модуляцию (так называемый чирп). При этом первоначально короткий импульс оказывается растянутым во времени в несколько десятков тысяч раз за счёт разнесения его спектральных компонент. Такой растянутый чирпированный импульс обладает значительно меньшей интенсивностью по сравнению с интенсивностью первоначального. Далее импульс усиливается обычным способом и затем пропускается через вторую, называемую компрессором, дисперсионную систему, обратную первой. В качестве стретчера и компрессора обычно используются пары дифракционных решёток, определённым образом расположенных и ориентированных по отношению к оптическому пути лазерного импульса. В лазерной среде происходит усиление именно растянутого импульса, что предотвращает возникновение оптического пробоя. В то же время, единственной областью, в которой происходит взаимодействие импульса высокой интенсивности с веществом, является поверхность последней сжимающей импульс дифракционной решётки, порог разрушения которой значительно больше, чем в объеме оптических материалов. Разработка CPA привела к созданию лазерных систем, способных генерировать излучение с пиковой мощностью, превышающей 1 ПВт.
Впервые петаваттный уровень импульсной мощности был продемонстрирован [2] на основе CPA в неодимовом стекле на установке «Nova» в Ливерморской национальной лаборатории (США) в 1997 году в рамках работ по проблеме «быстрого поджига» мишеней для инерционного термоядерного синтеза: длительность импульса составляла 440 фс, энергия 600 Дж. Открытие кристалла титан-сапфира (корунд с титаном, Ti3+:Ab03 или Ti: Sa) [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 — ОРСРА). 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 [2, 6−11], титан-сапфир [4, 9, 12−16] и параметрические усилители на кристаллах KDP (дигидрофосфат калия, КН2РО4) и DKDP (дейтерированный дигидрофосфат калия, KD2PO4) [12, 17−24]. Во всех трех типах энергия (в виде инверсии населенности) запасается в ионах неодима в стекле. В первом случае эта энергия непосредственно преобразуется в энергию чирпированного импульса, который затем сжимается. Во втором и третьем случаях запасенная энергия преобразуется в энергию узкополосного наносекундного импульса, который после преобразования во вторую гармонику служит накачкой усилителей чирпированных импульсов. Эта накачка либо обеспечивает инверсию населенностей в кристалле титан-сапфира, либо параметрически распадается на два чирпированных импульса в нелинейном кристалле.
Пиковая мощность определяется длительностью сжатого импульса и его энергией. Максимальная энергия достигается в лазерах на неодимовом стекле, поскольку запасенная в виде инверсии населенности энергия непосредственно преобразуется в чирпированный импульс. Однако узкая полоса усиления лазерных стекол с неодимом ограничивает длительность сжатого импульса на уровне нескольких сотен фемтосекунд. В результате оптическая стойкость дифракционных решеток ограничивает продвижение в мультипетаваттный диапазон.
В отличие от лазеров на неодимовом стекле лазеры на титан-сапфире обеспечивают широкополосное усиление, позволяющее сжать импульс вплоть до 10−20 фс. В то же время, при существующей технологии выращивания апертура кристаллов титан-сапфира составляет величину не более 10 см. Столь малая апертура при попытке превысить петаваттный уровень будет приводить к ограничению энергии чирпированного импульса из-за оптического пробоя и самофокусировки.
От вышеуказанных недостатков неодимового стекла и титан-сапфира свободны параметрические усилители, поскольку апертура выращиваемых сейчас нелинейных кристаллов KDP и DKDP составляет 40 см [25, 26], что сравнимо с размерами элементов из неодимового стекла, а полоса усиления сравнима с полосой сапфира. Более того, сам принцип ОРСРА имеет ряд неоспоримых преимуществ по сравнению с CPA.
Во-первых, при ОРСРА достигается очень высокий коэффициент усиления за один проход — до 104, по сравнению с 10 при CPA. Во-вторых, при ОРСРА усиление направленное, что исключает усиленную спонтанную люминесценцию и самовозбуждение усилителей в поперечном к распространению накачки направлении, снимая существенное для CPA-лазеров ограничение. В-третьих, низкий уровень усиленной спонтанной люминесценции в продольном направлении обеспечивает высокий временной контраст скомпрессированного импульса. В-четвертых, при ОРСРА разница энергий кванта накачки и сигнала не выделяется в кристалле в виде тепла (как при CPA), так как выносится холостой волной. Даже при работе в частотном режиме это обеспечивает малые тепловые нагрузки и, как следствие, дифракционное качество пучка. В-пятых, отраженное от мишени излучение не представляет опасности для лазера, т.к. оно не усиливается в ОРСРА. И, наконец, искажение спектра чирпированного импульса из-за насыщения усиления при ОРСРА меньше, чем при.
CPA, поскольку отсутствует эффект уменьшения инверсии населенностей к концу импульса. Таким образом, использование параметрических усилителей — весьма перспективный путь преодоления петаваттного барьера.
В то же время, следует отметить и недостатки ОРСРА. Прежде всего, это необходимость использования короткого (длительностью около 1 не) импульса накачки, поскольку в отличие от лазерного усилителя параметрический усилитель не может накапливать энергию за счет инверсии населенностей. По этой же причине ОРСРА требует высокой (100 пс) точности синхронизации импульса накачки и чирпированного импульса. Кроме того, при ОРСРА практически невозможно использовать несколько лазеров для накачки одного усилителя, что легко реализуется при CPA.
Как видно из вышеизложенного, все преимущества ОРСРА связаны непосредственно с усилителем, а недостатки — с лазером накачки, требования к которому выше, чем при CPA.
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 [17]. 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.
При использовании в качестве накачки излучения второй гармоники Nd3+ лазеров наиболее широкую полосу усиления имеют кристаллы LBO (борат лития), ВВО (метаборат бария), KDP и DKDP. Первые два кристалла обладают большой нелинейностью, но современная технология выращивания позволяет получать такие кристаллы с поперечными размерами лишь порядка нескольких сантиметров. Следовательно, кристаллы LBO и ВВО могут использоваться только в первых каскадах ОРСРА. Кристаллы KDP и DKDP, хотя и обладают меньшей нелинейностью, могут быть выращены до размеров, обеспечивающих апертуру в 40 см и более, что позволяет использовать их в оконечных каскадах петаваттных ОРСРА-лазеров. До исследований автора во всех работах, посвященных созданию параметрических усилителей фемтосекундных импульсов до мультитераваттного и петаваттного уровня мощности, в качестве нелинейных элементов последних каскадов усиления рассматривались нелинейные элементы из KDP [19, 27−29]. Проведенный в ходе выполнения работы в приближении взаимодействия плоских волн теоретический анализ характеристик усиления в кристаллах ВВО, KDP и DKDP выявил общие условия широкополосного усиления в этих кристаллах и показал, что кристалл DKDP является более перспективным (чем кристалл KDP) нелинейным элементом для создания источников фемтосекундных световых импульсов с мультитераваттной и петаваттной пиковой мощностью.
Рассмотрение спектральных и энергетических характеристик мощных параметрических усилителей в работах [27, 28] было проведено в приближении взаимодействия плоских волн. Это оправданно при анализе процессов в конечных каскадах усилителей, диаметр пучков взаимодействующих волн в которых превосходит несколько сантиметров. В первых каскадах, в которых происходит основное усиление.
О Q сигнала (в 10° - 10' раз), радиусы пучков достаточно малы, и приближение взаимодействия плоских волн становится неприменимым. При таких радиусах проявляются эффекты, связанные с относительным сносом пучков (spatial walk-off), приводящие к ограничению эффективности преобразования и искажениям формы и поперечного распределения фазы пучка. В работе на основе численного моделирования процесса неколлинеарного трехволнового взаимодействия была выполнена оптимизация стартовой части лазерного комплекса, включающего трехкаскадный параметрический усилитель. Кроме того, был исследован вопрос о структуре сигнального пучка при усилении в поле неоднородного пучка накачки.
До исследований автора в работах, посвященных экспериментальному исследованию параметрических усилителей, уровень мощности не превышал единиц тераватт, а в качестве накачки использовались лазеры с высокой частотой повторения импульсов. Важной и не исследованной задачей являлось экспериментальное исследование характеристик параметрического усиления при переходе в петаваттный диапазон мощностей, в том числе исследование специфики работы ОРСРА в разовом режиме. Теоретически многокаскадное широкополосное усиление в кристалле DKDP исследовалось в работе [30]. В ходе выполнения диссертационной работы были проведены экспериментальные исследования спектральных характеристик параметрических усилителей, исследована 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.
Качество скомпрессированого импульса в CPA и ОРСРА лазерных системах во многом определяется нескомпенсированной дисперсией высоких порядков и искажением спектра при усилении. Программируемое дисперсионное устройство, модифицирующее спектральную амплитуду и фазу импульсов фемтосекундного источника, может быть использовано для уменьшения длительности скомпрессированного импульса за счет устранения остаточной фазы системы стретчер-компрессор и предкоррекции спектра импульса для компенсации его искажения в процессе усиления. Кроме того, управление спектральной амплитудой импульсов фемтосекундного источника в ОРСРА лазерных системах может увеличить эффективность усиления за счет подавления обратной параметрической перекачки энергии из сигнальной волны в волну накачки. Независимое управление спектральной амплитудой и фазой фемтосекундных импульсов может быть осуществлено с помощью акустооптической дисперсионной линии задержки (Acousto-optical Delay Line — AODL). Принцип компрессии ультракоротких оптических импульсов при коллинеарном акустооптическом взаимодействии был предложен в работах [31, 32]. В настоящее время в большинстве CPA и ОРСРА систем для управления спектральной амплитудой и фазой инжектируемых в усилитель импульсов используется устройство DAZZLER производства фирмы Fastlite, основанное на идентичной концепции [33, 34]. В ходе выполнения диссертационной работы было исследовано оригинальное устройство AODL [42,43], разработанное и созданное в Московском институте стали и сплавов совместно с Воронежским государственным университетом и ИПФ РАН.
Подытоживая вышесказанное, сформулируем цель, новизну, основные результаты и актуальность работы.
Цель настоящей работы заключается в теоретическом и экспериментальном исследовании и оптимизации пространственных и спектральных характеристик многокаскадных параметрических усилителей петаваттного уровня мощности. В частности:
1. Исследование условий и характеристик широкополосного параметрического усиления в нелинейных кристаллах ВВО, KDP и DKDP.
2. Оптимизация параметров пучков и импульсов взаимодействующих волн в параметрических усилителях стартовой системы.
3. Разработка процедуры юстировки широкополосных параметрических усилителей, в том числе при разовом режиме работы лазера накачки.
4. Формирование необходимой пространственной структуры усиливаемого излучения с учетом нелинейных искажений профиля пучка в параметрических усилителях.
5. Экспериментальное исследование спектральных характеристик многокаскадного параметрического усилителя чирпированных импульсових оптимизация с помощью акустооптической линии задержки, модифицирующей спектральную амплитуду и фазу импульсов фемтосекундного источника.
Новизна работы и основные результаты, полученные в диссертации:
1. Показано, что при параметрическом взаимодействии I типа в кристаллах КОР, БКБР и ВВО существенное влияние на спектральные характеристики усиления имеет соотношение между удвоенной длиной волны накачки 2Хз и критической длиной волны %*, при которой обращается в ноль вторая производная волнового числа обыкновенной волны по частоте. Если 2Ху>Х*, широкополосное усиление возможно в длинноволновой области сигнала, т. е. при длине волны сигнала большей, чем длина холостой волны, а если 2Л, з<�Л,* - в коротковолновой области. В последнем случае существует такая длина волны сигнала, для которой выполняются так называемые условия сверхширокого синхронизма (в разложении расстройки волновых векторов в ряд Тейлора по отклонению частоты сигнала от центральной три первых члена равны нулю). В случае длинноволновой накачки (2А, з>Л*) условие сверхширокого синхронизма никогда не выполняется, а максимальная ширина полосы усиления достигается при вырожденном трехволновом взаимодействии.
2. Если в качестве накачки используется излучение второй гармоники неодимового лазера, в кристалле БКБР существует сверхширокополосное параметрическое усиление излучения с центральной длиной волны 910 нм. Ширина полосы усиления достигает 2300 см" 1, что, как минимум, вдвое больше, чем в кристалле КЕ>Р, в котором максимальная полоса усиления достигается при вырожденном коллинеарном взаимодействии. При усилении в БКБР в качестве источника фемтосекундных импульсов могут быть использованы как лазер на Тксапфире с длиной волны 910 нм, так и лазер на Сггфорстерите, генерирующий импульсы на сопряженной длине волны 1250 нм. Таким образом, кристалл БЮЭР является наиболее перспективным нелинейным элементом последних каскадов параметрического усиления в лазерах с петаваттной мощностью.
3. На основе найденной связи между расстройкой волновых векторов и перестроечными характеристиками нелинейного кристалла разработана методика настройки параметрических усилителей с помощью наблюдения спектр-угловой диаграммы параметрической люминесценции. Данная методика позволяет проводить независимую настройку двух углов синхронизма при неколлинеарной геометрии трехволнового взаимодействия, что особенно важно для мощных параметрических усилителей, накачкой которых служит лазер, работающий в разовом режиме.
4. 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 плоскостив поперечном направлении размер штрихов соответствует масштабу неоднородности накачки. Эта структура соответствует результатам численного моделирования с использованием реального профиля пучка накачки. Создана система формирования пространственной структуры сигнального излучения, позволившая получить близкое к однородному распределение сигнального излучения на входе второго и третьего параметрических усилителей, что, в свою очередь, обеспечило высокое качество выходного пучка петаваттного лазера.
5. Экспериментальное исследование спектральных характеристик параметрических усилителей подтвердило, что насыщение усиления и обратная перекачка мощности из сигнальной волны в волну накачки позволяют существенно увеличить ширину спектра сигнального излучения. При входной ширине спектра 400 см'1 на выходе оконечного параметрического усилителя получено сигнальное излучение с шириной спектра 690 см" 1 по полувысоте, что при идеальной компрессии соответствует импульсу с длительностью 33 фс.
6. Проведено исследование оригинальной акустооптической линии задержки (АОБЬ) для управления спектральной амплитудой и фазой импульсов фемтосекундного источника. Показано, что разработанная АСШЬ превосходит коммерчески доступные аналоги по таким параметрам как эффективность преобразования, стабильность работы и простота интегрирования в лазерную систему. Продемонстрировано двукратное увеличение ширины спектра сигнала на выходе параметрического усилителя за счет модуляции спектра инжектируемого фемтосекундного импульса.
Актуальность работы.
Полученные в диссертационной работе результаты легли в основу созданного в ИПФ РАН петаваттного лазерного комплекса PEARL. В то же время, применимость полученных результатов, несомненно, выходит за рамки использования их при создании комплекса PEARL. Предложенная в диссертационной работе схема ОРСРА и методы настройки параметрических усилителей использовалась в РФЯЦ-ВНИИЭФ, где в 2008 г. была запущена самая мощная на сегодняшний день в мире установка с параметрическим усилением фемтосекундных импульсов «ФЕМТА» [35, 36], использующая для накачки оконечного каскада комплекс «ЛУЧ» [37], работающий с частотой повторения два лазерных импульса в день. Энергия в импульсе составила более 70 Дж при длительности импульса около 70 фс.
Предложенная в диссертационной работе концепция сверхмощных лазеров на ОРСРА с центральной длиной волны сигнального излучения 910 нм в кристалле DKDP признана наиболее перспективной во всем мире. Она лежит в основе создаваемых петаватттных лазерных комплексов в Рочестерском университете (США), Шанхайском институте оптики и точной механики (Китай), а также в основе 10-ти петаваттных проектов PEARL-10 в ИПФ РАН [38] и VULCAN-ЮРW в Резерфордовской лаборатории (Великобритания) [39] на основе килождоульного лазера VULCAN [40].
Актуальность проведенных в диссертационной работе исследований подтверждается также тем, что технология параметрического усиления петаваттных лазерных импульсов положена в основу проекта XCELS (Exawatt Center for Extreme Light Studies) — Международного центра исследования экстремальных световых полей на основе субэкзаваттного лазера [41]. Проект одобрен в 2011 году в числе 6 проектов класса мега-сайенс Правительственной комиссией по высоким технологиям и инновациям и должен быть реализован до конца этого десятилетия. Источником экстремального светового излучения в XCELS должен стать 12-канальный лазерный комплекс с длиной волны 910 нм и выходной мощностью 200 ПВт, основанный на параметрическом усилении в кристалле DKDP. Каждый из каналов строится по единой схеме многокаскадного параметрического усиления, прототипом которого является установка PEARL.
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, двух глав, заключения и списка литературы. Объем работы составил 102 страницы, 55 рисуноков, 2 таблицы, 95 ссылок.
Заключение
.
В диссертации получены следующие основные результаты:
1. Показано, что при параметрическом взаимодействии I типа в кристаллах КОР, БКЮР и ВВО существенное влияние на спектральные характеристики усиления имеет соотношение между удвоенной длиной волны накачки 2А, з и критической длиной волны Л*, при которой обращается в ноль вторая производная волнового числа обыкновенной волны по частоте. Если 2Хз>Х*, то максимальная ширина полосы усиления достигается при вырожденном взаимодействии. Если 2А. з<�А*, то 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. Этой длине волны соответствует максимальная ширина полосы усиления.
2. Предсказано и экспериментально продемонстрировано, что при накачке излучением второй гармоники неодимового лазера в кристалле БКОР существует сверхширокополосное параметрическое усиление излучения с центральной длиной волны 910 нм. Ширина полосы усиления достигает 2300 см-1, что, как минимум, вдвое больше, чем в кристалле КЮР, в котором максимальная полоса усиления достигается при вырожденном взаимодействии. Таким образом, кристалл БКБР является наиболее перспективным нелинейным элементом последних каскадов параметрического усиления в лазерах с петаваттной мощностью.
3. На основе найденной связи между расстройкой волновых векторов и перестроечными характеристиками нелинейного кристалла разработана методика настройки параметрических усилителей с помощью наблюдения спектр-угловой диаграммы параметрической люминесценции. Данная методика позволяет проводить независимую настройку двух углов синхронизма при неколлинеарной геометрии трехволнового взаимодействия, что особенно важно для мощных параметрических усилителей, накачкой которых служит лазер, работающий в разовом режиме.
4. 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 плоскостив поперечном направлении размер штрихов соответствует масштабу неоднородности накачки. Эта структура соответствует результатам численного моделирования с использованием реального профиля пучка накачки. Создана система формирования пространственной структуры сигнального излучения, позволившая получить близкое к однородному распределение сигнального излучения на входе второго и третьего параметрических усилителей, что, в свою очередь, обеспечило высокое качество выходного пучка петаваттного лазера.
5. Экспериментальное исследование спектральных характеристик параметрических усилителей подтвердило, что насыщение усиления и обратная перекачка мощности из сигнальной волны в волну накачки позволяют существенно увеличить ширину спектра сигнального излучения. При входной ширине спектра 400 см-1 на выходе оконечного параметрического усилителя получено сигнальное излучение с шириной спектра 690 см-1 по полувысоте, что при идеальной компрессии соответствует импульсу с длительностью 33 фс.
6. Показано, что 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. Продемонстрировано двукратное увеличение ширины спектра сигнала на выходе параметрического усилителя за счет модуляции спектра инжектируемого фемтосекундного импульса.
Автор отмечает неоценимый вклад Фрейдмана Г. И., под чьим научным руководством были проведены теоретические исследования в период написания магистерской дипломной работы и обучения в аспирантуре, а также выражает глубокую благодарность Хазанову Е. А. за руководство экспериментальными исследованиями и диссертационной работой и Ложкареву В. В. за плодотворное сотрудничество и переданный практический опыт.
