ИМПУЛЬСНО-ПЕРИОДИЧЕСКИЙ ЛАЗЕР НА НЕОДИМОВОМ СТЕКЛЕ ДЛЯ НАКАЧКИ МОЩНЫХ ТИТАН-САПФИРОВЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ, РАБОТАЮЩИЙ С ЧАСТОТОЙ ПОВТОРЕНИЯ ИМПУЛЬСОВ НЕ МЕНЕЕ 0,02 ГЦ
NEODYMIUM-DOPED GLASS-BASED PULSE-PERIODIC LASER FOR PUMPING OF TITANIUM-SAPPHIRE AMPLIFIERS OPERATED IN PULSE REPETITION FREQUENCY OF AT LEAST 0,02 HZ

Изобретение относится к области твердотельных импульсно-периодических лазеров, в частности лазеров на неодимовом стекле, для накачки мощных титан-сапфировых усилителей чирпированных импульсов, работающих с высокой частотой их повторения.
15
4
С момента создания первого лазера одной из важнейших задач квантовой электроники является наращивание пиковой мощности излучения. Самыми мощными на сегодняшний день являются петаваттные лазеры, пиковая мощность излучения в которых достигает 10 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 10 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.
2
3
2
4
.
В мире существует несколько проектов, направленных на дальнейшее увеличение пиковой мощности генерируемого лазерного излучения и продвижение в мультипетаваттный диапазон (пиковая мощность излучения порядка 10 ПВт) [5-11]. Все эти проекты можно условно разделить на 3 типа: в одних в качестве усиливающей среды используется неодимовое стекло, в других - титан-сапфир Ti:Sa (корунд с титаном Ti:AlO), в третьих реализован принцип параметрического усиления на кристаллах DKDP (дейтерированный дигидрофосфат калия KDPO) Во втором и третьем типах установок для накачки титан-сапфира либо параметрической накачки кристаллов DKDP предполагается использование второй гармоники излучения лазера на неодимовом стекле (длина волны 527 нм). 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 требуется для реализации мультипетаваттных проектов. Однако низкая теплопроводность стекла и большие тепловыделения в активных элементах 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. Актуальной задачей является увеличение частоты повторения импульсов в таких установках за счет подавления термонаведенных искажений излучения. Наиболее перспективными в этом отношении являются системы на титан-сапфире (сапфире, легированном ионами титана), поскольку с одной стороны для их накачки требуется лазер на неодимовом стекле с энергией значительно меньшей, чем в установках, где неодимовое стекло непосредственно используется для усиления чирпированных импульсов, а с другой стороны длительность импульсов накачки может быть существенно больше длительности импульсов накачки параметрического усилителя чирпированных импульсов. В последнем случае существует достаточно жесткое ограничение. Поскольку параметрический усилитель не накапливает энергию в виде инверсии населенности, то длительность импульса накачки должна быть сравнима с длительностью усиливаемого чирпированного импульса - порядка 1 нс. В системах на основе титан-сапфира длительность импульса накачки может составлять несколько сотен наносекунд, что облегчает создание импульсно-периодического источника такого излучения.
2
По патенту US 5504763 МПК H01S 3/23 (20060101), опубликованному 02.04.1996, известна система для минимизации термонаведенной деполяризации лазерного пучка в активной среде стержневой геометрии. В основе работы этой системы лежит идея поворота плоскости поляризации лазерного пучка на 90 градусов после прохождения усиливающей среды и ретрансляции пучка с переносом изображения в ту же самую или идентичную усиливающую среду. Благодаря этому часть пучка, поляризованная радиально на первом проходе, становится тангенциально поляризованной на втором проходе и наоборот - тангенциально поляризованная составляющая меняет поляризацию на радиальную. Таким образом, исходная поляризация в пучке восстанавливается. Система переноса изображения обладает единичной кратностью и обеспечивает идентичность размеров пучка, а также поперечных координат и углов распространения лучей на первом и втором проходах через усиливающую среду. Одно из применений данного изобретения - увеличение точности ОВФ зеркал, использующихся в импульсно-периодических лазерных усилителях, что позволяет работать при очень высокой частоте повторения импульсов, ограниченной только стойкостью лазерных усилителей к термомеханическим разрушениям. Патент содержит схему двухпроходного импульсно-периодического лазерного усилителя, в котором реализована вышеупомянутая система минимизации термонаведенной деполяризации. Данная схема включает в себя Nd:YAG задающий генератор, изолятор Фарадея, расширяющий телескоп, диафрагму, обрезающую пучок после телескопа по уровню 1/е, поляризатор, вакуумный пространственный фильтр, лазерный усилитель, содержащий два стержневых активных элемента из Nd:YAG апертурой 6,35 мм, накачка которых осуществляется одной и той же газоразрядной лампой, однократный телескоп и вращатель поляризации на 90 градусов, установленные между стержневыми активными элементами лазерного усилителя, четвертьволновую пластинку, линзу и кювету, обеспечивающую обращение волнового фронта (ОВФ). Вакуумный пространственный фильтр формирует на входе в лазерный усилитель пучок с плоской вершиной и защищает активные элементы усилителей от бликов с выхода установки. Однократный телескоп состоит из двух линз и сферического зеркала, расположенного между ними. Внутри телескопа излучение дважды фокусируется. Для предотвращения пробоя воздуха области обеих фокальных перетяжек находятся в вакуумной кювете. Четвертьволновая пластинка обеспечивает развязку - излучение после второго прохода через лазерный усилитель отражается поляризатором на выход установки. Выходное излучение может использоваться как непосредственно, так и в виде гармоник. Для этого в схему могут быть включены различные нелинейно-оптические элементы, например удвоитель частоты. В реализованной авторами патента установке была достигнута генерация импульсов на длине волны 1 мкм, длительностью 5-6 нс по полувысоте, с частотой повторения 100 Гц и энергией 400 мДж. Пучок имел плоскую вершину, а его расходимость была близка к дифракционной. Уровень деполяризации составил 0,5%. В разовом режиме (при низкой частоте повторения импульсов) установка выдавала излучение с энергией 1 Дж. Излучение второй гармоники такого лазера подходит для накачки титан-сапфировых усилителей, однако низкая энергетика не позволяет использовать подобную установку в сверхмощных системах петаваттного и мультипетаваттного уровня. Предложенная схема хорошо подходит для работы с малоапертурными (порядка 10 мм в диаметре) активными элементами, идентичность тепловыделений в которых может быть достигнута без особого труда. Для значительного увеличения выходной энергии требуется использовать активные элементы большого диаметра (40-100 мм), требование эквивалентности нагрева которых, а значит и высокой степени компенсации деполяризации, обеспечить сложнее. Также при повышении выходной энергии возрастает риск повреждения малоапертурных элементов деполяризованным излучением, возвращающимся в сторону задающего генератора. Защитную функцию в описанной установке выполняет изолятор Фарадея. Стандартные изоляторы Фарадея имеют апертуру до 30 мм. Устройства, позволяющие пропускать пучок большего диаметра, достаточно уникальные и дорогие. Прежде всего, это обусловлено сложностью создания однородного магнитного поля во всем объеме магнитоактивной среды. Изоляторы Фарадея с рабочей апертурой до 30 мм сами подвержены риску оптического пробоя деполяризованным излучением. Таким образом, требование к степени компенсации деполяризации с ростом выходной энергии излучения возрастает.
6
10
По патенту США US 6700906 B2 МПК H01S 3/16, 3/17, 3/23 (20060101), опубликованному 02.03.2004, известен импульсно-периодический лазер, содержащий задающий генератор, производящий импульсы высокого оптического качества, но низкой энергии, многопроходный усилитель на основе слэбов из неодимового стекла, работающих в зигзаг-геометрии, ОВФ зеркало, расположенное в середине усилительного тракта и нелинейный кристалл, генерирующий либо вторую, либо третью, либо четвертую гармонику выходного излучения. Авторы патента заявляют, что их устройство при использовании ламповой накачки слэбов может генерировать до 100 Дж энергии во второй гармонике (длина волны 527 нм) при частоте повторения импульсов 5-10 Гц. В рамках того же патента утверждается, что при использовании диодной накачки вместо ламповой частоту повторения импульсов можно значительно повысить за счет сокращения тепловыделений в активных элементах. Нам представляется, что озвученные выходные параметры сильно завышены, а сами авторы данного патента никогда не получали их в эксперименте. На сегодняшний день рекордная энергия, полученная на слэбах в аналогичной по конструкции установке с диодной накачкой при частоте повторения 10 Гц, составляет 21,3 Дж в основной гармонике (длительность импульсов 8,9 нс по полувысоте) и 10 Дж во второй гармонике (на длине волны 527 нм). Данный результат опубликован в следующей работе: R. Yasuhara et al., "213 W average power of 2.4 GW pulsed thermally controlled Nd:glass zigzag slab laser with a stimulated Brillouin scattering mirror", Optics Letters, V. 33, Is. 15, pp. 1711-1713 (2008). Эффективность преобразования частоты излучения во вторую гармонику была улучшена: получено 12,5 Дж энергии во второй гармонике, однако частота повторений импульсов при этом уменьшилась до 0.6 Гц [см. Т. Sekine et al., "High efficiency 12.5 J second-harmonic generation from CsLiBO nonlinear crystal by diode-pumped Nd:glass laser", Optics Express, V. 21, Is. 7, pp. 8393-8400 (2013)]. Недостатком слэбов, препятствующим масштабированию установки и увеличению выходной энергии, является сложность конструкции усилителей, большие размеры, трудности настройки (при зигзаг-геометрии требуется очень точно соблюдать условие полного внутреннего отражения лучей внутри слэба, что является очень непростой задачей, особенно, если требуется настроить несколько последовательных усилителей). Следует также отметить и огромную стоимость диодной накачки по сравнению с ламповой, что на сегодняшний день является значительным препятствием для ее широкого использования в мощных импульсно-периодических лазерных системах.
Таким образом, до настоящего времени в мире не созданы импульсно-периодические лазерные системы с энергией импульсов несколько сотен джоулей и частотой их повторения более 0,02 Гц. Ближайшим аналогом разработанного импульсно-периодического лазера на неодимовом стекле для накачки мощных титан-сапфировых усилителей, работающего с частотой повторения импульсов не менее 0,02 Гц, является импульсно-периодический лазер на неодимовом стекле для накачки мощных титан-сапфировых усилителей, описанный в работе V. Yanovsky et al., "Quasi-flat-top frequency-doubled Nd: glass laser for pumping of high-power Ti: sapphire amplifiers at a 0.1 Hz repetition rate", Applied Optics, V. 47 Is. 12, pp. 1968-1972 (2008). Лазер-прототип включает в себя (см. фиг.1): задающий генератор 1, предусилитель 2, вакуумный телескоп 3, изолятор Фарадея 4, поляризатор 5, основной двухпроходный усилитель 6 и удвоитель частоты 7. Основной двухпроходный усилитель 6 содержит квантрон (лазерную головку) 8 со стержневым активным элементом из неодимового фосфатного стекла диаметром 25 мм, накачка которого осуществляется газоразрядными лампами, вращатель Фарадея 9, однократный вакуумный телескоп 10 и нормальное зеркало 11. В реализованной в данной работе схеме задающий генератор выполнен на основе кристалла Nd:YLF, a предусилитель содержит активные элементы как из Nd:YLF, так и из фосфатного стекла с неодимом. В схеме лазера-прототипа используется четыре канала основного усиления и, соответственно, излучение от предусилителя разбивается на четыре одинаковых пучка, каждый из которых поступает в свой независимый канал. На выходе каждого канала частота излучения удваивается и четыре пучка второй гармоники (длина волны 527 нм) поступают для накачки кристалла Ti:Sa. На фиг. 1 приведен выделенный один канал основного усиления. Авторы данной статьи получили 30 Дж энергии с такого канала в основной гармонике и 15 Дж во второй гармонике при частоте повторения импульсов 0,1 Гц (длительность импульсов более 80 нс по полувысоте). Пучок имел плоскую вершину. На основе прототипа был создан 300 тераваттный (ТВт) титан-сапфировый лазер, работающий с частотой повторения импульсов 0,1 Гц [см. V. Yanovsky et al., "Ultra-high intensity-300-TW laser at 0.1 Hz repetition rate", Optics Express, V.16, Is.3, pp.2109-2114 (2008)].
Импульсно-периодический лазер-прототип на неодимовом стекле для накачки мощных титан-сапфировых усилителей обладает следующими основными недостатками.
1) Для коррекции термонаведенных фазовых искажений излучения в основном усилителе используется расстройка телескопа, которая компенсирует только квадратичную составляющую термолинзы, но не подавляет аберрации.
2) Стержневой активный элемент основного усилителя имеет относительно малую апертуру (25 мм) и, как следствие, обладает небольшой (порядка 30 Дж) запасенной энергией. С этим связана достаточно низкая выходная энергия лазера, поэтому прототип не подходит для использования в качестве источника накачки мультипетаваттного лазерного комплекса на основе титан-сапфира. Экстенсивное увеличение энергии за счет роста числа усилительных каналов малопродуктивно, а увеличение апертуры активных элементов при сохранении высокой частоты повторения импульсов - достаточно сложная задача, которая решена в рамках нашего (предлагаемого) изобретения.
3) Масштабирование прототипа предполагает увеличение апертуры стержневых активных элементов, что требует либо увеличения апертуры изолятора Фарадея на входе в основной усилитель, либо установку в схему другого устройства, защищающего оптические элементы предусилителя и задающего генератора от деполяризованного излучения и возможных бликов из основного усилителя. Учитывая, что стандартные изоляторы Фарадея рассчитаны на апертуру до 30 мм и их использование в мощной установке рискованно в связи с возможным оптическим пробоем, элементы большего размера уникальны и дороги, а устройств с апертурой более 45 мм нет в коммерческом доступе, возникает необходимость разработки и установки в схему лазера иного, относительно недорогого устройства, защищающего элементы предусилителя и задающего генератора от деполяризованного излучения и паразитных бликов из основного усилителя.
4) В лазере-прототипе отсутствует система формирования пучка на выходе предусилителя, которая необходима для подавления флуктуации фазового фронта и направления распространения излучения и управления поперечной структурой пучка с целью получения на выходе лазера излучения с высоким коэффициентом заполнения апертуры.
Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является разработка импульсно-периодического лазера с энергией импульсов несколько сотен джоулей и частотой их повторения не менее 0,02 Гц для накачки титан-сапфирового мультипетаваттного комплекса.
Технический результат в разработанном устройстве достигается тем, что разработанный импульсно-периодический лазер на неодимовом стекле для накачки мощных титан-сапфировых усилителей, работающий с частотой повторения импульсов не менее 0,02 Гц, как и лазер-прототип, содержит задающий генератор, производящий импульсы относительно малой энергии на длине волны, попадающей в полосу усиления неодимового стекла, предусилитель, изолятор Фарадея, поляризатор, основной двухпроходный усилитель на стержневых активных элементах из неодимового стекла и удвоитель частоты.
Новым в разработанном устройстве является то, что после предусилителя установлена система формирования пучка, на выходе которой излучение имеет дифракционное качество, заданную поперечную структуру и стабильное направление распространения, после изолятора Фарадея установлен кеплеров телескоп с фокальной перетяжкой в воздухе или иной среде, благодаря чему обеспечивается плазменный затвор для обратного усиленного излучения, основной двухпроходный усилитель включает в себя одну или несколько пар идентичных квантронов со стержневыми активными элементами из неодимового стекла, установленных последовательно по лучу и запасающих каждая не менее 200 Дж энергии за один импульс накачки, а также линзу, вращатель Фарадея и ВРМБ-кювету, излучение в которую фокусируется упомянутой линзой, при этом между стержневыми активными элементами квантронов внутри каждой пары установлены вращатели поляризации на 90 градусов.
В первом частном случае реализации разработанного импульсно-периодического лазера основной двухпроходный усилитель содержит несколько пар квантронов со стержневыми активными элементами из неодимового стекла, идентичными внутри каждой пары, причем активные элементы хотя бы одной пары отличаются по размеру апертуры от элементов хотя бы одной другой пары, при этом для согласования диаметров пучка между соседними парами квантронов, содержащих активные элементы разной апертуры, установлены телескопы.
Во втором частном случае поляризатор на входе в основной двухпроходный усилитель может делить излучение на два одинаковых канала, каждый из которых имеет конструкцию, аналогичную конструкции основного двухпроходного усилителя, описанной выше, причем излучение из обоих каналов суммируется в удвоителе частоты, на выходе которого формируется один луч на второй гармонике.
В третьем частном случае сразу после поляризатора на входе в основной двухпроходный усилитель может быть установлен спектроделитель, пропускающий излучение основной гармоники и отражающий излучение второй гармоники, и удвоитель частоты.
В четвертом частном случае количество каналов основного двухпроходного усилителя, аналогичных тем, что описаны выше, может быть больше, например шесть.
На фиг.1 представлена схема импульсно-периодического лазера-прототипа.
На фиг.2 представлена схема разработанного и реализованного импульсно-периодического лазера на неодимовом стекле для накачки мощных титан-сапфировых усилителей, работающего с частотой повторения импульсов не менее 0,02 Гц.
На фиг.3 представлена система формирования пучка на выходе предусилителя, использованная в реализованном импульсно-периодическом лазере.
На фиг.4 представлена схема разбиения пучка на 2 канала основного двухпроходного усилителя с последующим суммированием каналов.
На фиг.5 представлена схема развязки излучения основной и второй гармоники при помощи спектроделителя.
Схема и рабочие параметры импульсно-периодического лазера-прототипа, изображенного на фиг.1, подробно описаны выше.
Разработанный импульсно-периодический лазер на неодимовом стекле для накачки мощных титан-сапфировых усилителей, работающий с частотой повторения импульсов не менее 0,02 Гц, в соответствии с п.1 формулы и представленный на фиг.2, содержит задающий генератор 12, предусилитель 13, систему формирования пучка 14, изолятор Фарадея 15, кеплеров телескоп 16 с фокальной перетяжкой в воздухе или иной среде, поляризатор 17, основной двухпроходный усилитель 18 и удвоитель частоты 19. Основной двухпроходный усилитель 18 содержит одну или несколько пар квантронов со стержневыми активными элементами из неодимового стекла (на фиг.2 для определенности изображены две пары квантронов: 20, 22 и 23, 25), вращатели поляризации на 90 градусов, расположенные между активными элементами внутри каждой пары квантронов (21 и 24 на фиг.2), линзу 26, вращатель Фарадея 27 и ВРМБ-кювету 28.
Разработанный импульсно-периодический лазер на неодимовом стекле для накачки мощных титан-сапфировых усилителей с частотой повторения импульсов не менее 0,02 Гц работает следующим образом.
Задающий генератор 12 производит импульсы относительно малой энергии на длине волны, попадающей в полосу усиления неодимового стекла. Например, задающий генератор 12 может быть выполнен на основе кристалла Nd:YLF, тогда длина волны излучения 1053 нм попадает в полосу усиления фосфатного стекла с неодимом (максимум полосы соответствует длине волны 1054 нм). Длительность импульсов должна быть много меньше времени релаксации инверсии населенностей в Ti:Sa, равного 3 мкс. С другой стороны для предотвращения пробоя оптических элементов лазерным излучением выгодно работать с длинными импульсами, поэтому длительность импульсов задающего генератора 12 может составлять от нескольких десятков до нескольких сотен наносекунд. От задающего генератора 12 оптические импульсы направляются через предусилитель 13 в систему формирования пучка 14. Предусилитель 13 предназначен для увеличения энергии лазерного излучения после задающего генератора 12 до необходимого уровня, позволяющего снять большую часть энергии, запасенной в виде инверсии населенностей в активных элементах основного двухпроходного усилителя 18. Для эффективного преобразования выходного излучения лазера во вторую гармонику пучок на входе в удвоитель 19 должен быть максимально однородным в поперечном сечении (П-образный пучок). Важным условием также является стабильность направления распространения излучения и слабая расходимость (порядка 0,1 мрад). Система формирования пучка 14 обеспечивает соответствие этим требованиям. В частности, она подавляет фазовые флуктуации и угловые отклонения пучка на входе в основной двухпроходный усилитель 18. Расположенный далее по направлению распространения пучка изолятор Фарадея 15 защищает оптические элементы системы формирования пучка 14, предусилителя 13 и задающего генератора 12 от обратного излучения (деполяризованной компоненты и паразитных усиленных бликов), которое поступает из основного двухпроходного усилителя 18. Кеплеров телескоп 16 увеличивает диаметр пучка, согласуя его с размером апертуры стержневого активного элемента, ближнего к входу в основной двухпроходный усилитель 18 квантрона (20 на фиг.2), и осуществляет перенос изображения с выхода системы формирования пучка 14 на вход этого активного элемента. Особенностью кеплерова телескопа 16, отличающей предлагаемое изобретение от прототипа, является то, что фокальная перетяжка расположена не в вакууме, а в воздухе или иной среде. Благодаря такому техническому решению обеспечивается плазменный затвор для обратного усиленного излучения. Таким образом, телескоп 16 дополнительно защищает оптические элементы, расположенные до него в сторону задающего генератора 12, от деполяризованного излучения и возможных усиленных паразитных бликов. Это в частности дает возможность использовать изолятор Фарадея 15 малой апертуры, что очень выгодно экономически. Рассмотрим подробнее принцип работы плазменного затвора. Параметры телескопа 16 должны быть рассчитаны таким образом, чтобы интенсивность излучения, проходящего в прямом направлении (от задающего генератора 12 к основному двухпроходному усилителю 18), в фокальной перетяжке была немного меньше (хотя бы на несколько десятков процентов) порога пробоя воздуха или иной среды, в которой эта перетяжка расположена. Интенсивностью излучения в перетяжке можно управлять, изменяя фокусные расстояния линз, составляющих телескоп 16 при сохранении кратности (отношения фокусных расстояний линз) последнего. Если такого изменения недостаточно (например, длина телескопа 16 окажется слишком большой), то можно управлять порогом пробоя среды, в которой находится фокальная перетяжка. К примеру, можно использовать воздух и варьировать его давление, изменяя тем самым порог пробоя, или подбирать другую подходящую среду. Паразитное излучение, идущее обратно из основного двухпроходного усилителя 18, будет фокусироваться внутри телескопа 16 и, если энергия этого излучения достаточно большая, в фокальной перетяжке загорится плазменный факел. Образующаяся закритическая плазма рассеет паразитное излучение и не пропустит основную его часть за перетяжку. Прошедшая же часть будет обладать энергией, сравнимой с энергией прямого излучения, и, следовательно, не вызовет повреждений в изоляторе Фарадея 15, и будет выведена им из схемы. Для защиты от бликов, идущих под большими углами, в перетяжке кеплерова телескопа 16 располагается диафрагма. Для обеспечения корректной работы плазменного затвора необходимо, чтобы рабочий лазерный импульс успел полностью пройти область фокальной перетяжки до образования в ней плазмы, поэтому задержка между прямым рабочим импульсом и обратным паразитным импульсом должна быть больше длительности рабочего импульса, что обеспечивается регулированием длины пробега лазерного импульса в усилительном тракте. После прохождения кеплерова телескопа 16 рабочий лазерный импульс поступает на поляризатор 17, через который вводится в основной двухпроходный усилитель 18. Оригинальная конструкция квантронов (20, 22, 23, 25 на фиг.2) позволяет создавать в их активных элементах (стержнях из неодимового стекла) достаточно однородное по поперечному сечению распределение инверсии населенностей при запасенной энергии не менее 100 Дж на активный элемент (соответственно 200 Дж на пару идентичных квантронов). Системы накачки и охлаждения активных элементов обеспечивают работу квантронов (20, 22, 23, 25 на фиг.2) при частоте повторения импульсов не ниже 0,02 Гц, причем идентичность квантронов в каждой паре такова, что интегральная степень деполяризации (отношение мощности деполяризованной компоненты к полной мощности излучения) после первого прохода через активные элементы компенсируется при помощи вращателей поляризации на 90 градусов (21, 24 на фиг.2) до уровня не выше 2-3%, приемлемого для осуществления эффективного обращения волнового фронта в ВРМБ-кювете 28 за счет вынужденного рассеяния Мандельштама-Бриллюэна (ВРМБ). Линза 26 фокусирует излучение в ВРМБ-кювету 28, а вращатель Фарадея 27, расположенный в слабо сходящемся пучке и, следовательно, имеющий меньшую, чем у стержневых активных элементов квантронов 20, 22, 23 и 25 апертуру, но достаточную для безопасного пропускания лазерного излучения, осуществляет поворот поляризации в лазерном пучке на 90 градусов за два прохода, в результате чего излучение после второго прохода через активные элементы квантронов 20, 22, 23 и 25 отражается поляризатором 17 на удвоитель частоты 19.
Следует отметить, что вращатель Фарадея 27 может располагаться не после линзы 26 в слабо сходящемся пучке, как показано на фиг.2, а до нее. Недостатком этой схемы является то, что в этом случае приходится использовать вращатель Фарадея большей апертуры, а следовательно, и более дорогой. Однако увеличение апертуры может быть обусловлено, например, предотвращением оптического пробоя вращателя Фарадея 27.
Фазовые искажения в пучке, возникающие при прохождении основного двухпроходного усилителя 18, компенсируются за счет обращения волнового фронта в ВРМБ-кювете 28, поэтому качество излучения на входе в удвоитель частоты 19 достаточно высокое для эффективной генерации второй гармоники. Излучение второй гармоники после удвоителя частоты 19 непосредственно используется для накачки Ti:Sa. Вращатель Фарадея 27 не только обеспечивает развязку пучков на входе и выходе основного двухпроходного усилителя 18, но и дополнительно (совместно с вращателями поляризации на 90 градусов 21 и 24) компенсирует деполяризацию излучения, поэтому его использование в схеме предпочтительнее, чем использование четвертьволновой пластинки, которая также может обеспечивать развязку, но не осуществляет компенсацию деполяризации. Благодаря пороговому характеру эффекта ВРМБ в схеме основного двухпроходного усилителя 18 отсутствует паразитное самовозбуждение.
Таким образом, конструкция разработанного импульсно-периодического лазера на неодимовом стекле позволяет получать импульсы с энергией несколько сотен джоулей при частоте их повторения не менее 0,02 Гц на длине волны 527 нм, что решает поставленную задачу, поскольку данное излучение может использоваться в качестве накачки для широкоапертурных кристаллов титан-сапфира, на основе которых может быть создан мультипетаваттный лазерный комплекс.
d
В конкретной реализации импульсно-периодического лазера на неодимовом стекле для накачки мощных титан-сапфировых усилителей, работающего с частотой повторения импульсов не менее 0,02 Гц, задающий генератор 12 был создан на основе стержня из кристалла Nd:YLF диаметром 5 мм и длиной активной части 75 мм (концентрация Nd 1%). Предусилитель 13 был построен по двухпроходной схеме, в качестве активного элемента использовался стержень Nd:YLF диаметром 6 мм и длиной активной части 60 мм (концентрация Nd 1%). Задающий генератор 12 производил гигантские импульсы с длительностью по полувысоте 30-35 нс. Использованная авторами предлагаемого изобретения система формирования пучка 14 подробно изображена на фиг.3. Она состоит из собирающей длиннофокусной линзы 29, диафрагменной линии (диафрагмы 30, 31 и 32, изготовленные из алюминия), расширяющего галилеева телескопа (линзы 33 и 34) и узла аподизации, состоящего из двух поляризаторов 35 и 38, мягкой диафрагмы 36 и жесткой диафрагмы 37. Линза 29 фокусирует входное излучение на первую диафрагму 30. Диаметры диафрагм 30, 31, 32 выбраны таким образом, чтобы с одной стороны структура пучка на выходе диафрагменной линии была слабо чувствительной к флуктуациям распределения интенсивности и фазы во входном пучке, а с другой стороны коэффициент пропускания диафрагм был не слишком маленьким (порядка 0,8). Фокусное расстояние линзы 29 выбиралось достаточно большим (3100 мм), чтобы исключить закрывание диафрагм плазмой, образующейся на их границе при превышении плотности энергии излучения некоторого порогового значения. В диапазоне энергий до 170 мДж, в котором работал задающий генератор 12 совместно с предусилителем 13, указанный эффект экранирования лазерного излучения плазмой отсутствовал. Диафрагменная линия (диафрагмы 30, 31, 32) подавляла флуктуации кривизны волнового фронта, существовавшие в излучении на входе в систему формирования структуры лазерного пучка 14. На выходе диафрагменной линии излучение имело дифракционную расходимость. После диафрагменной линии оно проходило через расширяющий галилеев телескоп (линзы 33 и 34), подавлявший флуктуации направления распространения излучения в 12 раз, и попадало на мягкую диафрагму 36 и жесткую диафрагму 37, находившиеся между двумя поляризаторами 35 и 38. Мягкая диафрагма 36 представляла собой сферическую плосковыпуклую линзу, изготовленную из кристаллического кварца с оптической осью, направленной под углом 45 градусов к направлению поляризации излучения, посаженную на оптический контакт с линзой той же оптической силы из плавленого кварца для компенсации расходимости. На оси мягкой диафрагмы 36 разность набегов фаз обыкновенной и необыкновенной волны была равна 2π, а на расстоянии r=7 мм от оси равна π. Поляризатор 38 преобразовывал модуляцию поляризации в модуляцию интенсивности по закону
,
a
d
8
18
3
19
-3
где T - коэффициент пропускания пары мягкая диафрагма 36 - поляризатор 38, r - радиальная координата. Жесткая диафрагма 37 вырезала из кольцевой структуры центральный круг. Таким образом, узел аподизации формировал пучок радиусом r=7 мм с точным нулем поля на границе. Коэффициент заполнения апертуры (отношение усредненной по апертуре интенсивности пучка к пиковому значению) составил 0,4. Расходимость пучка на выходе системы 14 была дифракционной, энергия излучения составляла порядка 20 мДж. Изолятор Фарадея 15 (на фиг.2) состоял из двух поляризаторов, полуволновой пластинки и вращателя Фарадея, магнитоактивный сердечник которого имел апертуру диаметром 18 мм и был изготовлен из кристалла ТГГ (тербий галлиевый гранат). Изолятор Фарадея 15 обеспечивал развязку порядка 5·10, пропуская с потерями 5% рабочее лазерное излучение горизонтальной поляризации и выводя из схемы излучение, идущее из основного двухпроходного усилителя 18 в обратном направлении (главным образом, деполяризованную компоненту). Кеплеров телескоп 16 состоял из линз с фокусными расстояниями 425,6 и 1291,9 мм. В фокальной перетяжке телескопа 16 была установлена алюминиевая диафрагма с диаметром отверстия 0,63 мм (11 дифракционных пределов), а сама перетяжка находилась в воздухе при атмосферном давлении. Телескоп 16 пропускал рабочее лазерное излучение с энергией до 20 мДж без потерь (эффект плазменного затвора начинал проявляться при энергиях больше 30 мДж). Основной двухпроходный усилитель 18 включал в себя четыре специально разработанных авторами предлагаемого изобретения идентичных квантрона (20, 22, 23, 25 на фиг.2) со стержневыми активными элементами из фосфатного неодимового стекла марки КГСС-1621, имевших диаметр 45 мм и длину 32 мм (концентрация неодима составляла 8.6·10 см). Накачка каждого активного элемента производилась шестью импульсными ксеноновыми газоразрядными лампами марки ИФП-5000-2, а охлаждение осуществлялось проточной водой, температура которой стабилизировалась вблизи комнатной с точностью ±0,1 К. Энергия накачки составляла 15 кДж на квантрон, при этом в каждом активном элементе запасалось 100 Дж энергии, а коэффициент усиления по слабому сигналу был равен 6. Частота повторения импульсов накачки составляла 0,02 Гц. В этом режиме активные элементы квантронов имели пятикратный запас прочности по отношению к термомеханическим разрушениям (т.е. уровень термонаведенных упругих напряжений в активной среде составлял порядка 20% от экспериментально установленного предела разрушения). Вращатели поляризации на 90 градусов (21 и 24 на фиг.2) были изготовлены из кристаллического кварца, вращатель Фарадея 27 был аналогичен тому, что использовался в изоляторе Фарадея 15 (см. выше). ВРМБ-кювета 28 имела длину 1 м и была наполнена перфтороктаном CF (порог ВРМБ для 30 нс импульсов составляет 5,7 мДж). Фокусное расстояние линзы 26 было равно 1,7 м. Измеренный коэффициент отражения ОВФ-зеркала для лазерных импульсов с энергией до 16,5 Дж превышал 95%. На выходе основного двухпроходного усилителя 18 (перед удвоителем частоты 19) энергия излучения составила 220 Дж (длина волны 1054 нм) при частоте повторения 0,02 Гц. Пучок, диаметр которого по нулю поля был равен 43 мм, имел достаточно плоскую вершину (коэффициент заполнения апертуры 0,8), а его расходимость составляла 120÷150 мкрад или 2÷2,5 дифракционных предела, что позволяет с высокой эффективностью (порядка 70%) удваивать частоту излучения. Интегральная степень деполяризации излучения на выходе основного двухпроходного усилителя 18 составила 0,4%.
Особенностью работы предлагаемого импульсно-периодического лазера на неодимовом стекле для накачки мощных титан-сапфировых усилителей, работающего с частотой повторения импульсов не менее 0,02 Гц, описанного в п.2 формулы, является то, что активные элементы квантронов, входящих в состав основного двухпроходного усилителя, могут иметь различную апертуру. В этом случае для согласования диаметров пучка в соседних активных элементах разной апертуры необходимо использовать телескопы. Важно, чтобы общее число квантронов в составе основного двухпроходного усилителя 18 было четным и их можно было бы разбить на пары идентичных квантронов, чтобы внутри каждой пары осуществлять компенсацию термонаведенной деполяризации при помощи вращателей поляризации на 90 градусов.
Следует отметить, что вращатели поляризации на 90 градусов могут быть установлены иначе, чем внутри каждой пары квантронов, но так, чтобы обеспечить компенсацию термонаведенной деполяризации на одном проходе через все активные элементы. Например, в системе из четырех последовательных идентичных квантронов (20, 22, 23, 25) для компенсации деполяризации можно использовать один вращатель поляризации на 90 градусов, установленный между активными элементами второго 22 и третьего 23 по ходу луча квантронов.
Особенностью работы предлагаемого импульсно-периодического лазера на неодимовом стекле для накачки мощных титан-сапфировых усилителей, работающего с частотой повторения импульсов не менее 0,02 Гц, описанного в п.3 формулы и частично представленного на фиг.4, является то, что поляризатор 17 на входе в основной двухпроходный усилитель делит излучение на два одинаковых канала, каждый из которых (18) является двухпроходным усилителем и имеет конструкцию, аналогичную конструкции основного двухпроходного усилителя, описанную выше (18 на фиг.2).
Технический результат в этом частном случае реализации импульсно-периодического лазера на неодимовом стекле для накачки мощных титан-сапфировых усилителей, работающего с частотой повторения импульсов не менее 0,02 Гц, заключается в том, что излучение из обоих каналов (18 на фиг.4) суммируется в удвоителе частоты 19, на выходе которого формируется один луч на второй гармонике. Такое суммирование возможно благодаря так называемому второму типу взаимодействия волн в удвоителе частоты 19, в результате которого обыкновенная и необыкновенная волны основной гармоники, имеющие ортогональные линейные поляризации, преобразуются в волну второй гармоники (обыкновенную или необыкновенную, в зависимости от физических свойств нелинейного кристалла удвоителя частоты 19). Разность фаз волн основной гармоники значения не имеет, важно чтобы их энергии совпадали. Это позволяет суммировать излучение двух несфазированных каналов.
Особенностью работы предлагаемого импульсно-периодического лазера на неодимовом стекле для накачки мощных титан-сапфировых усилителей, работающего с частотой повторения импульсов не менее 0,02 Гц, описанного в п.4 формулы и частично представленного на фиг.5, является то, что за поляризатором 17 на входе в основной двухпроходный усилитель установлен спектроделитель 39, пропускающий излучение основной гармоники и отражающий излучение второй гармоники. Удвоитель частоты 19 при этом находится между спектроделителем 39 и основным двухпроходным усилителем 18.
Особенностью работы предлагаемого импульсно-периодического лазера на неодимовом стекле для накачки мощных титан-сапфировых уилителей, работающего с частотой повторения импульсов не менее 0,02 Гц, описанного в п.5 формулы, является то, что количество каналов основного двухпроходного усилителя 18, аналогичных тем, что описаны выше, может быть увеличено за счет разбиения пучка на входе в основной двухпроходный усилитель на несколько одинаковых пучков при помощи поляризаторов (по аналогии со схемой разбиения пучка на 2 канала основного двухпроходного усилителя, изображенной на фиг.4).
Технический результат в этом частном случае реализации импульсно-периодического лазера на неодимовом стекле для накачки мощных титан-сапфировых усилителей, работающего с частотой повторения импульсов не менее 0,02 Гц, заключается в том, что суммарная энергия излучения второй гармоники на выходе нескольких (например, шести) каналов может быть порядка килоджоуля и выше, что достаточно для получения порядка 10 ПВт энергии в схеме усиления чирпированных фемтосекундных импульсов на основе титан-сапфира.
Таким образом, разработанный импульсно-периодический лазер на неодимовом стекле может использоваться в качестве источника для накачки мощных титан-сапфировых усилителей чирпированных фемтосекундных импульсов, запасающих несколько сотен джоулей энергии, что позволит создать мультипетаваттный комплекс с высокой частотой повторения импульсов (не менее 0,02 Гц).
Цитируемая литература
1. Pennington D.M. et al., "Petawatt laser system", Proc. SPIE, v. 3047, p. 490-500 (1997).
2. Aouama M. et al., "0.85-PW, 33-fs Ti:sapphire laser", Optics Letters, v. 28, №17, p. 1594-1596 (2003).
3. Lozhkarev V.V. et al., "Compact 0.56 petawatt laser system based on optical parametric chirped pulse amplification in KD*P crystals", Laser Physics Letters, v. 4, №6, p. 421-427 (2007).
4. Strickland D., Mourou G., "Compression of amplified chirped optical pulses", Optics Communications, v. 56, №3, p. 219-221 (1985).
5. Chambare J.-P. et al., "Extreme light infrastructure: laser architecture and major challenges", Proc. SPIE, v. 7721, p. 77211D (2010).
6. www.xcels.iapras.ru.
7. Le Blanc C. et al., "Apollon-10P: status and implementation", Proc. of International Committee on Ultra Intense Lasers Conference (ICUIL 2012). Mamaia, Romania, 2012, p. 32.
8. Hernandez-Gomez C. et al., "The Vulcan 10 PW project", CLF Annual Report 2008-2009, p. 267-270.
9. Kawanaka J., "Conceptual design of Sub-Exa-Watts OPCPA system", Proc. of International Committee on Ultra Intense Lasers Conference (ICUIL 2012). Mamaia, Romania, 2012, p. 14.
10. Ditmire Т., "Toward the development of rep-rated multi-PW lasers", Proc. of International Committee on Ultra Intense Lasers Conference (ICUIL 2012). Mamaia, Romania, 2012, p. 18.
11. Li R. et al., "Recent progress on the development of a 10 PW laser system at SIOM", Proc. of International Committee on Ultra Intense Lasers Conference (ICUIL 2012). Mamaia, Romania, 2012, p. 22.