Способ увеличения частоты следования ультракоротких высокомощных лазерных импульсов в ограниченной последовательности
METHOD FOR INCREASING THE REPETITION RATE OF ULTRASHORT HIGH-POWER LASER PULSES IN A LIMITED SEQUENCE

Изобретение относится к лазерной технике и может быть использовано для формирования последовательностей коротких высокомощных лазерных импульсов с очень высокой частотой следования (более 1 ТГц). Такие последовательности представляют большой интерес для многих приложений, включая лазерные источники вторичного излучения терагерцового и рентгеновского диапазонов, лазерные ускорители частиц, устройства лазерной микрообработки материалов и др.
Частота последовательности импульсов может совпадать с высокочастотными резонансами облучаемых сред (плазменная частота, частота терагерцового поля и т.д.), что приводит к эффективному взаимодействию. Для многих приложений режим резонансной последовательности импульсов не уступает одноимпульсному режиму по эффективности взаимодействия со средой. При этом максимальная энергия, которая может быть получена в последовательности импульсов, значительно превышает энергию одиночного лазерного импульса, которая, как правило, ограничивается нелинейными эффектами и эффектом оптического пробоя в элементах лазерной схемы. В твердотельных лазерах эффекту оптического пробоя наиболее подвержен активный элемент лазера. В наибольшей степени это проявляется в активных средах (таких как иттербиевые среды) с высокой плотностью энергии насыщения, которая может превышать порог пробоя, что не позволит эффективно извлекать энергию, запасенную в среде. Еще острее эта проблема проявляется в лазерах с тонкими активными элементами, например, с волокнами [М. Kienel, Optics Letters 41(14), pp. 3343-3346, 2016], с тонкими стержнями [X.  et. al., Optics Letters 38 (2), pp. 109-111, 2013] или с тонкими слэбами [P. Russbueldt et. al., Optics Letters 35 (24), pp. 4169-4171, 2010]. Такие активные элементы часто используются в лазерах высокой средней мощности. Благодаря малой толщине элемент эффективно охлаждается, что важно при высокой средней мощности, однако это ограничивает апертуру активного элемента и энергию выходных импульсов.
Существуют способы формирования последовательностей коротких лазерных импульсов с очень высокой частотой следования. Последовательности можно получить на выходе лазерного генератора, работающего в режиме синхронизации мод. Частота следования таких последовательностей определяется длиной резонатора генератора. Максимальная частота, полученная таким образом, составляет чуть меньше 5 ГГц [S. Pekarek et. al., Optics Express 20(4), pp. 4248-4253, 2012]. Известны способы формирования последовательности импульсов из одиночного импульса. В одном способе для разделения импульса используется набор лазерных интерферометров Майкельсона [С.W. Siders et. al., Applied Optics 37 (22), pp. 5302-5305, 1998]. В другом способе применяется интерференция двух реплик чирпированного импульса, смещенных друг относительно друга [R.J. Shalloo et. al., Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment 829, pp. 383-385, 2016]. В третьем способе одиночный импульс пропускается через последовательность ориентированных анизотропных кристаллов различных длин и расщепляется на несколько реплик за счет эффекта двулучепреломления [Т. Robinson et. al., Journal of the Optical Society of America В 27(4), pp. 763-772, 2010]. Частота следования импульсов в данных схемах ограничивается лишь их длительностью, однако недостатком является то, что энергия последовательности импульсов не может превышать энергию одиночного импульса, из которого эта последовательность получена.
Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является взятый за прототип способ увеличения частоты следования ультракоротких высокомощных лазерных импульсов в ограниченной последовательности [Т.  et. al., Laser Congress 2017 (ASSL, LAC), OSA Technical Digest, paper JM5A.33, 2017], в котором конечную по времени последовательность импульсов вводят в оптический резонатор, время полного обхода которого немного отличается от временного интервала между входящими импульсами, а затем выводят из резонатора сформированную новую последовательность импульсов с большей частотой следования. Резонатор содержит лазерный усилитель и оптический затвор, состоящий из ячейки Поккельса, четвертьволновой пластинки и поляризатора.
В известном способе - прототипе используют оптический затвор, работающий в трех режимах: режиме частичного пропускания излучения, режиме нулевого пропускания излучения, режиме полного пропускания излучения. В режиме частичного пропускания излучения осуществляют ввод последовательности импульсов в резонатор и их накопление. При попадании в резонатор импульсам первоначальной последовательности меняют один и тот же параметр - поляризацию за счет ее поворота в оптическом затворе на 45 градусов на каждом обходе резонатора. При этом на каждом обходе происходит потеря половины энергии импульса. Для компенсации данных потерь энергии вводят усилитель, который усиливает импульсы в 2 раза на каждом обходе. Усиление импульсов в новой последовательности осуществляют в режиме нулевого пропускания оптического затвора, при этом импульсы многократно обходят резонатор и усиливаются. И, наконец, переключая оптический затвор в режим полного пропускания, выводят импульсы полученной новой последовательности из резонатора.
Недостаток способа-прототипа заключается в том, что при вводе и дальнейшем накоплении импульсов в оптическом резонаторе большая часть энергии импульсов теряется при прохождении через оптический затвор. Это приводит к необходимости постоянного усиления энергии импульсов накапливаемой новой последовательности в оптическом резонаторе, что требует обязательного наличия лазерного усилителя для реализации способа-прототипа. Энергия импульсов новой последовательности на выходе будет ограничена по величине, так как при достижении энергией импульсов определенного порогового значения в усилителе возникает нежелательный эффект оптического пробоя активного элемента. Таким образом, описанный в прототипе способ увеличения частоты следования ультракоротких высокомощных лазерных импульсов в ограниченной последовательности не позволяет снять ограничение по величине мощности выходных импульсов, связанное с порогом пробоя активного элемента.
Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является разработка способа увеличения частоты следования ультракоротких высокомощных лазерных импульсов в ограниченной последовательности, который позволяет получить конечную последовательность ультракоротких лазерных импульсов с требуемой высокой мощностью, не зависящей от порога пробоя активного элемента.
Технический результат достигается благодаря тому, что разработанный способ увеличения частоты следования ультракоротких высокомощных лазерных импульсов в ограниченной последовательности так же, как и способ, который является ближайшим аналогом, включает введение ограниченной первоначальной последовательности импульсов в оптический резонатор, время полного обхода которого отличается от временного интервала между импульсами первоначальной последовательности, одновременное накопление импульсов с большей частотой следования за счет изменения одного и того же параметра каждого входящего импульса первоначальной последовательности и формирование из них новой последовательности, и дальнейшее выведение из оптического резонатора полученной новой последовательности импульсов через оптический затвор.
Новым в разработанном способе является то, что в оптическом резонаторе размещают нелинейный оптический элемент, с помощью которого преобразуют длину волны лазерного излучения, используемую в качестве изменяемого параметра каждого входящего импульса первоначальной последовательности, а лазерное излучение с длиной волны первоначальной последовательности вводят в оптический резонатор и выводят из него, используя дихроичные зеркала.
В частном случае реализации разработанного способа длину волны лазерного излучения, используемую в качестве изменяемого параметра каждого входящего импульса первоначальной последовательности, уменьшают в 2 раза.
На фиг. 1 представлена схема возможной технической реализации разработанного способа в соответствии с п. 1 или п. 2 формулы.
Первоначальная последовательность 1 импульсов подается в оптический резонатор, состоящий из двух дихроичных зеркал 2 и 3. Внутри резонатора размещают нелинейный оптический элемент 4 и оптический затвор 5, состоящий из ячейки Поккельса, четвертьволновой пластинки и поляризатора. С помощью оптического затвора 5 осуществляют вывод новой последовательности 6 импульсов из резонатора.
Способ осуществляют следующим образом.
1
2
1
Через первое дихроичное зеркало 2 первоначальную последовательность 1 коротких лазерных импульсов с равными интервалами между импульсами ΔT вводят в оптический резонатор, время полного обхода которого составляет ΔT и отличается от временного интервала ΔT между импульсами первоначальной последовательности 1.
1
2
1
2
1
2
При прохождении первоначальной последовательности 1 через нелинейный оптический элемент 4 изменяют параметр каждого входящего импульса этой последовательности 1. В качестве изменяемого параметра каждого входящего импульса первоначальной последовательности 1 выбирают длину волны лазерного излучения. Таким образом, длину волны λ лазерного излучения первоначальной последовательности 1 изменяют на λ - длину волны лазерного излучения получаемой новой последовательности 6. Дихроичные зеркала 2 и 3 выбирают таким образом, чтобы на длине волны λ они обладали большим коэффициентом пропускания, а на длине волны λ - большим коэффициентом отражения. Тогда излучение с длиной волны λ проходит через второе дихроичное зеркало 3 и выводится из резонатора, а излучение с длиной волны λ отражается как от второго дихроичного зеркала 3, так и от первого дихроичного зеркала 2 и остается внутри оптического резонатора.
2
1
Так как время полного обхода резонатора ΔT выбирают отличающимся от временного интервала ΔT между импульсами первоначальной последовательности 1, то на каждом обходе резонатора между соседними импульсами новой последовательности 6 возникает временной интервал, равный , который определяет частоту следования импульсов полученной новой последовательности 6.
2
Когда все импульсы первоначальной последовательности 1 преобразуют в импульсы новой последовательности 6 с длиной волны λ, переключают оптический затвор 5 и выводят импульсы новой последовательности 6 из резонатора.
1
1
2
В конкретной реализации заявленного способа первоначальная последовательность состояла из 8 импульсов с временными интервалами между импульсами ΔT=5 нс, что соответствует частоте следования 0,2 ГГц, длина волны первоначальной последовательности λ=1030 нм. Полученная новая последовательность имела длину волны λ=515 нм, а временной интервал между импульсами составлял 5 пс, что соответствует частоте следования импульсов 0,2 ТГц. В качестве нелинейного оптического элемента использовался кристалл бета-бората бария (ВВО).
Выходные параметры новой последовательности импульсов, которые могут быть достигнуты с применением заявленного способа, ограничиваются только световой апертурой и тепловыми эффектами в ячейке Поккельса. Современные ячейки Поккельса способны выдерживать среднюю мощность более 1 кВт и пиковую мощность более 100 ГВт. В способе - прототипе более строгие ограничения, по сравнению с ячейкой Поккельса, на выходные параметры новой последовательности импульсов накладывают световая апертура и тепловые эффекты в лазерном усилителе. В зависимости от геометрии активного элемента усилителя его предельные средняя и пиковая мощности в 2-10 раз ниже, чем в ячейке Поккельса. Следовательно, средняя и пиковая мощности новой последовательности импульсов в способе - прототипе в 2-10 раз ниже, чем в разработанном способе увеличения частоты следования ультракоротких высокомощных лазерных импульсов в ограниченной последовательности.
Таким образом, разработанный способ увеличения частоты следования ультракоротких высокомощных лазерных импульсов в ограниченной последовательности позволяет получить конечную последовательность ультракоротких лазерных импульсов с требуемой высокой мощностью, не зависящей от порога пробоя активного элемента.