ОПТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ЛАЗЕРНОГО КОМПРЕССОРА
OPTICAL SYSTEM FOR LASER COMPRESSOR

Изобретение относится к области квантовой электроники, а именно к лазерной технике, и может быть использовано для решения технических задач, где требуется обеспечение сжатия (компрессии) высокоэнергетичных чирпированных широкоапертурных лазерных импульсов наносекундной и субнаносекундной длительности до первоначальной длительности, в частности, в современных лазерных установках, предназначенных для исследований в области управляемого термоядерного синтеза и взаимодействия светового излучения с веществом.
В настоящее время практически во всех лазерных системах, генерирующих импульсы сверхмощного излучения, используется метод CPA (chirped-pulse amplification), усиления растянутых до нескольких наносекунд ультракоротких импульсов и последующего их сжатия до исходной длительности [Strickland D., Mourou G. Opt. Commun., 56, 219 (1985)]. В традиционных CPA-системах с прямым усилением, а также в системах, основанных на параметрическом усилении чирпированных импульсов ОРСРА (optical parametric CPA) [Dubietis A., Butkus R., Piskarskas A.P. IEEE J. Sel. Top.Quantum Electron., 12, 163 (2006)], для сжатия чирпированного лазерного импульса применяются лазерные компрессоры на одной паре параллельных дифракционных решеток [Treacy Edmond В. IEEE J. Quantum Electron., 5, 454 (1969)], обеспечивающие отрицательную дисперсию групповой скорости (длинные волны задерживаются относительно коротких), а также для растяжения импульса светового излучения стретчеры на антипараллельных решетках с переворачивающим изображение телескопом [Martinez О.Е. IEEE J. Quantum Electron., 23, 59 (1987)], обеспечивающие положительную групповую дисперсию.
Известна оптическая система лазерного компрессора на одной паре параллельных дифракционных решеток [Treacy Edmond В., «Optical Pulse Compression With Diffraction Gratings», IEEE Journal of Quantum Electronics, vol.5, pp.454, 1969]. В данной системе для осуществления компрессии импульса светового излучения используется пара параллельных дифракционных решеток, стоящих под углом к лазерному пучку. Угол падения на первую дифракционную решетку относительно нормали выбирается вблизи (~±10°) угла Литрова дифракционной решетки, чтобы обеспечить высокий коэффициент отражения ≈92-95%. Для лазерного излучения с центральной длиной волны 1053 нм угол падения на первую дифракционную решетку составляет ≈55-75°. Использование такой оптической схемы для достижения требуемой групповой дисперсии приводит к необходимости увеличения размеров дифракционных решеток вследствие увеличения размеров светового пучка и большого угла падения, что технологически осложнено. В настоящее время габаритный размер доступных дифракционных решеток составляет ≈500×400 мм (Ш×В).
Техническим результатом изобретения является обеспечение требуемой групповой дисперсии заданного широкоапертурного пучка светового излучения в технологически приемлемых габаритах дифракционных решеток лазерного компрессора.
Данный технический результат достигается тем, что в отличие от известной оптической системы лазерного компрессора, основанной на паре параллельных дифракционных решеток с одинаковым периодом, в предложенной системе вышеназванная пара дифракционных решеток дополнена, по крайней мере, одной парой параллельных дифракционных решеток с одинаковым периодом, причем вдоль оптической оси по направлению распространения лазерного излучения пары параллельных дифракционных решеток расположены таким образом, что лазерное излучение сначала последовательно проходит первые решетки всех пар дифракционных решеток, начиная с первой по ходу луча пары решеток, а затем последовательно вторые решетки всех пар дифракционных решеток, начиная с последней пары решеток, причем различные пары дифракционных решеток ориентированы относительно друг друга под разными углами, выбранными в зависимости от характеристик лазерного излучения, максимального габаритного размера применяемых дифракционных решеток, их периода и оптических характеристик и от требуемой дисперсии групповой скорости лазерного излучения на выходе оптической системы.
Оптическая система лазерного компрессора может отличаться тем, что период дифракционных решеток в разных парах одинаковый или различный.
Принцип действия лазерного компрессора на двух параллельных дифракционных решетках впервые описан в статье «Optical Pulse Compression With Diffraction Gratings» Treacy Edmond В., IEEE Journal of Quantum Electronics, vol.5, pp.454, 1969, базовые положения которой лежат в основе реализации заявляемой системы. Расчет спектральной фазы, дисперсии второго порядка и дисперсии более высоких порядков описывается в обзорной статье «High power ultrafast lasers», S.Backus, C.G.Durfee, M.M.Murnane and H.C.Kapteyn, Review of Scientific Instruments, Vol.69, No.3, 1998, pp.1207-1223. В статье показано, что групповая задержка, она же дисперсия групповой скорости, она же дисперсия второго порядка, равна τ=P/с, где P - разность оптических путей длинноволновых и коротковолновых компонент импульса, с - скорость света. Параметр P зависит от разности двух длин волн (ширина спектра импульса), от количества штрихов на мм дифракционной решетки, от угла падения пучка относительно нормали на первую решетку и от расстояния между дифракционными решетками по нормали.
Из формулы дисперсии групповой скорости видно, что она не зависит от диаметра падающего на первую решетку пучка. Из геометрии схемы прототипа видно, что размер первой дифракционной решетки зависит прямо пропорционально от диаметра падающего пучка и обратно пропорционально косинусу угла падения относительно нормали. При обеспечении требуемой дисперсии в прототипе размер дифракционной решетки возрастает как с увеличением диаметра падающего пучка, так и с увеличением угла падения.
В предлагаемой системе в результате использования заявляемых признаков разница оптических путей Р накапливается на каждой дифракционной решетке, которых в предлагаемой оптической схеме больше, чем в прототипе. И из-за того, что они специфично расположены по ходу прохождения луча, появляется возможность более гибко получать требуемую дисперсию групповой скорости в отличие от прототипа, т.к. она накапливается на каждой дифракционной решетке. В результате размещения пар дифракционных решеток относительно друг друга под различными углами можно уменьшить углы падения лазерного излучения на дифракционные решетки с сохранением требуемой дисперсии групповой скорости на выходе из предлагаемой оптической системы лазерного компрессора, тем самым уменьшив размер используемых дифракционных решеток. В прототипе значительно уменьшить угол падения нельзя, так как сильно уменьшится дисперсия групповой скорости, и ее не хватит до требуемого значения. Для обеспечения требуемой дисперсии групповой скорости в прототипе рабочий угол падения составляет ≈60-70°, а в предлагаемой системе ≈30-40°.
Выбор периодов дифракционных решеток в разных парах (одинаковый или различный) дополнительно позволит влиять (увеличивать или уменьшать) на достижение заданной дисперсии.
Предлагаемая оптическая система при увеличении количества решеток позволяет, на лазерных установках с широкой апертурой лазерного пучка, использовать дифракционные решетки меньшего размера по сравнению со схемой на двух параллельных дифракционных решетках при одной и той же требуемой дисперсии групповой скорости лазерного излучения на выходе из соответствующей оптической системы.
На чертеже изображена принципиальная схема предлагаемой оптической системы, где 1-1', 2-2', 3-3' - три пары параллельных дифракционных решеток, α - угол между 1-й и 2-й парой решеток, β - угол между 2-й и 3-й парой решеток, М - отражающее возвратное зеркало.
Ниже будем использовать следующие обозначения:
1 - первая решетка первой пары параллельных дифракционных решеток, 1' - вторая решетка первой пары параллельных дифракционных решеток, 2 - первая решетка второй пары параллельных дифракционных решеток, 2' - вторая решетка второй пары параллельных дифракционных решеток, 3 - первая решетка третьей пары параллельных дифракционных решеток, 3' - вторая решетка третьей пары параллельных дифракционных решеток.
Покажем, каким образом достигается указанный выше технический результат.
Лазерный компрессор, реализованный в предлагаемой оптической системе (чертеж), построен на основе трех пар параллельных дифракционных решеток 1-1', 2-2', 3-3'. Причем расположение решеток в реальной системе таково, что последовательное прохождение луча в системе соответствует следующему порядку прохождения дифракционных решеток 1-2-3-3'-2'-1'. Для компенсации поперечного сдвига частот также, как и в прототипе, применен возвратный отражатель М. Отражатель М направляет излучение обратно через дифракционные решетки в горизонтальной плоскости, а в вертикальной немного смещает его относительно первоначального направления распространения излучения для того, чтобы на выходе оптического компрессора можно было разделить входное и выходное лазерное излучение. Таким образом, использование отражателя М позволяет использовать дифракционные решетки два раза, если позволяет их габаритная высота. Вместо отражателя М можно использовать идентичную оптическую систему лазерного компрессора, но зеркально отраженную. Тогда дифракционные решетки используются один раз, что позволяет пропускать через систему лазерный пучок большего размера.
В оптической системе, изображенной на чертеже, более длинноволновые компоненты λ1 лазерного импульса проходят более длинные пути, чем короткие λ2, и, следовательно, одни относительно других приобретают задержку во времени.
Лазерный компрессор, реализованный в предлагаемой оптической системе (чертеж), имеет следующие параметры:
-9
- дисперсия групповой скорости на выходе τ=1,59×10cек;
-6
- одинаковые периоды дифракционных решеток во всех парах, d=0,833×10м;
-9
- центральная длина волны лазерного излучения λ=1053×10м;
-9
- спектральная ширина Δλ=2×10м;
- угол падения на первую решетку α=30°;
- диаметр падающего пучка светового (лазерного) излучения пучка D=0,4 м.
Лазерный компрессор, реализованный по оптической системе прототипа, имеет параметры:
-9
- дисперсия групповой скорости на выходе τ=1,58×10сек;
-6
- периоды обеих параллельных дифракционных решеток одинаковые d=0,575×10 м;
-9
- центральная длина волны лазерного излучения λ=1053×10м;
-9
- спектральная ширина Δλ=2×10м;
- угол падения на первую решетку α=60°;
- диаметр падающего лазерного пучка D=0,4 м.
Если применить предлагаемую оптическую систему, можно использовать дифракционные решетки с максимальной шириной 55 см, вместо 93 см, используемых в схеме прототипа, и тем самым уменьшить габариты применяемых дифракционных решеток в системе на 40%, как заявлено в результате.