ОПТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ ЛАЗЕРНЫХ ИМПУЛЬСОВ ПИКО- И НАНОСЕКУНДНОЙ ДЛИТЕЛЬНОСТИ

Полезная модель относится к области квантовой электроники, а именно, к лазерной технике, и может быть использована для формирования лазерных импульсов пико- и наносекундной длительности с заданной временной формой, а также может быть использована в современных лазерных установках, предназначенных для исследований в области управляемого термоядерного синтеза и взаимодействия светового излучения с веществом.
В современных лазерных установках, предназначенных для исследований в области управляемого термоядерного синтеза и взаимодействия светового излучения с веществом, как правило, необходима заданная (профилированная) временная форма лазерного импульса на мишени [S.C.Burkhart, F.A.Penko «Temporal Pulse Shaping of Fiber-Optic Laser Beams», UCRL-LR-105821-96-2, pp.75-81; В.А.Малинов, В.Н.Чернов «Формирование лазерных импульсов дефлекторными кристаллами», Квантовая электроника, 1980 г., т.17, №5, стр.586-589; J.Wallace «Laser Pulse delivers ignition-sized punch», Laser Focus World, August 2003, pp.24-28; M.Shaw, W.Williams, R.House, C.Haynam «Laser performance operation-model», Optical Engineering, Vol.43, No. 12, December 2004, рр.2885-2895]: При этом желательно иметь возможность оперативного изменения временного профиля лазерного импульса при проведении экспериментов. Кроме того, для подавления поперечного вынужденного рассеяния Мандельштамма-Бриллюэна в большеапертурных оптических элементах на выходе установки и задействования ряда методик однородного облучения мишени (например - SSD - smoothing by spectral dispersion) необходим достаточно широкий, вплоть до единиц нанометров, спектральный состав излучения [J.К.Crane, R.B.Wilcox, N.W.Hopps, et al. «Integrated operations of the National Ignition Facility (NIF) optical pulse generation development system», SPIE Vol.3492, pp.100-111; A.Jolly, J.F.Gleyze, J.Luce, H,Coic, G.Deschaseaux «Front-end sources of the LIL-LMJ fusion lasers: progress report and prospects», Optical Engineering, Vol.42(5), pp.1427-1438 (May 2003)].
Эти требования на установках NIF, LMJ и OMEGA реализуются путем временного профилирования и фазовой модуляции лазерного импульса в стартовой системе [R.B.Wilcox, B.M.Van Wonterghem, S.C.Burkhart, J.M.Davin «Multiple-Beam Pulse Shaping and Preamplification», Proceedings of the I.A.E.A. technical committee meeting on drivers for inertial confinement fusion, Paris, France, November 14-18, 1994, p.91-100; S.C.Burkhart, R.J.Beach, J.H.Crane, et al. «The National Ignition Facility Front-End Laser System», First Annual International Conference on Solid State Lasers for Application to Inertial Confinement Fysion. 31 May-2 June 1995, Monterey, California, SPIE Proceedings Series, V.2633, pp.48-58; «The OMEGA Laser Pulse-Shaping System», LLE 1995 Annual Report, pp.56-61; «A High-Bandwith Electrical-Waveform Generator Based on Aperture-Coupled Striplines for OMEGA Pulse-Shaping Applications», LLE Review, Vol.73, October-December 1997, pp.1-5]. Разработанные для этих установок фазовые и амплитудные модуляторы базируются на специфических интегрально-оптических устройствах и средствах их управления.
-2
Недостатки и отличия этих фазовых и амплитудных модуляторов с интегрально-оптическими устройствами управления от предлагаемой оптической системы в самом принципе получения требуемого импульса и в его параметрах. Эти устройства вырезают, посредством электронного управления из исходного импульса длительностью несколько десятков наносекунд со спектральной шириной 10 нм, импульс требуемой длительности в несколько наносекунд. В итоге эти устройства позволяют формировать импульсы с минимальной длительностью в несколько наносекунд, с минимальной крутизной фронтов порядка одной наносекунды и с фиксированной шириной спектра, равной ширине спектра исходного лазерного импульса.
В современных проектируемых лазерных установках HiPER и др. [http://www.hiper.org] на каналах со сверхкороткой длительностью импульса используется принцип растяжения и сжатия широкополосного лазерного излучения на оптических системах, основанных на отражательных дифракционных решетках. Системы схематично состоят из задающего генератора, излучающего спектрально-ограниченные импульсы субпикосекундной длительности, удлинителя лазерного импульса (оптический удлинитель), тракта усиления и сжимателя лазерного импульса (компрессора).
2
2
разр.
Необходимость в оптическом удлинителе и компрессоре возникает из-за невозможности усиления такого сверхкороткого импульса до плотности энергии >1 Дж/см, типичной для усилителей на Nd стекле. Это связанно с низкой лучевой прочностью оптических материалов и покрытий при такой короткой длительности импульса (ε≤0,5 Дж/см) и самофокусировкой в оптических элементах усилительного тракта, которая при высоких интенсивностях приводит к «схлопыванию» светового пучка и разрушению оптики.
Особенностью устройств растяжения импульса установок типа HiPER со сверхкороткой длительностью импульса является следующее. Длительность растянутого импульса в оптическом удлинителе установки не превышает 1-2 нс и жестко привязана к геометрии устройства, т.е. чтобы ее изменить, нужно изменить внешние габариты устройства и перенастроить все элементы заново. Все устройства растяжения в установках такого типа используются только на один проход. Кроме того, внутри них отсутствуют какие либо транспаранты, обеспечивающие возможность селекции спектральной амплитуды лазерного импульса, т.к. главным критерием работы этих устройств является максимальное сохранение ширины первоначального спектра. Поэтому система ограничена в возможностях управления параметрами импульса.
Известна организованная на базе оптического удлинителя система для формирования крутого переднего фронта у субпикосекундных лазерных импульсов, применяемых для возбуждения фотокатодов высокоскоростных радиоустройств [S.Cialdi, C.Vicario, M.Petrarca, P.Musumeci «Simple scheme for ultraviolet time-pulse shaping», Applied Optics, Vol.46, No.22, 1 August 2007, pp.4959-4962.]. В данной системе внутри оптического удлинителя, имеющего компенсацию пространственной дисперсии, расположен непрозрачный транспарант. Особенность системы в том, что оптический удлинитель работает на один проход. Это приводит к тому, что при реализации отсутствует возможность изменения длительности выходного импульса и оперативного управления временной формой лазерного импульса без перенастройки всей схемы оптического удлинителя.
Техническим результатом полезной модели является обеспечение возможности оперативного управления временной формой, а также шириной спектра, амплитудным профилем и спектральной фазой лазерного импульса без изменения внешних габаритов всей системы.
Данный технический результат достигается тем, что в отличие от известной оптической системы для формирования лазерных импульсов, включающей установленный вдоль оптической оси по направлению распространения лазерного излучения оптический удлинитель, имеющий компенсацию пространственной дисперсии, в предложенной системе вдоль оптической оси на выходе из оптического удлинителя размещен внешний отражающий оптический элемент, причем геометрия внешнего отражающего оптического элемента согласована с геометрией оптического удлинителя таким образом, чтобы обеспечить, по меньшей мере, двухпроходную схему прохождения лазерного излучения через оптический удлинитель.
В конкретном варианте реализации система может представлять следующее: оптический удлинитель построен на паре дифракционных решеток и компенсационном отражателе, а внешним отражающим оптическим элементом служит перпендикулярный уголковый отражатель. Кроме того, в оптический удлинитель может быть введен амплитудный транспарант.
То есть, сущность полезной модели заключается в том, что система формирования лазерных импульсов содержит оптический удлинитель и на его выходе согласованный с оптическим удлинителем отражающий элемент, который регулирует количество проходов через оптический удлинитель. При этом внутри оптического удлинителя может быть дополнительно установлен транспарант, позволяющий модулировать амплитуду импульса. При каждом прохождении оптической системы формирования импульс растягивается во времени, что позволяет получать на ее выходе, на порядок большую длительность амплитудно-профилированных лазерных импульсов, чем в однопроходном оптическом удлинителе.
В результате реализации предлагаемая полезная модель позволяет создать оптическую систему, обеспечивающую (при неизменной ее геометрии и при регулировке только количества проходов лазерного излучения и ширины спектра излучения), возможность получать лазерные спектрально-упорядоченные импульсы с требуемой амплитудой и длительностью от нескольких десятков пикосекунд до нескольких десятков наносекунд и с заданной шириной и амплитудой спектра с помощью встроенных в нее пассивных устройств.
При этом важно, что в предлагаемой оптической системе схема оптического удлинителя значения не имеет, главное, чтобы на выходе оптического удлинителя отсутствовала пространственная дисперсия у лазерного импульса. Оптический удлинитель может быть построен на одной или нескольких дифракционных решетах, на призмах или их комбинации, без применения или с применением одного или нескольких отражателей или линз.
На фиг. изображена принципиальная схема предлагаемой оптической системы, где оптический удлинитель, выделенный пунктирной линией, образован двумя дифракционными решетками 1 и компенсационным отражателем 2, 3 - амплитудный транспарант, 4 - внешний отражающий оптический элемент.
Покажем, каким образом достигается указанный выше технический результат.
Принцип действия оптического удлинителя впервые описан в статье «Optical Pulse Compression With Diffraction Gratings» Treacy Edmond В., IЕEE Journal of Quantum Electronics, vol.5, pp.454, 1969, базовые положения которой лежат в основе реализации заявляемой системы.
Оптический удлинитель в предлагаемой оптической системе (фиг.), обладающий групповой (временной) дисперсией, построен на основе двух дифракционных решеток 1. Для компенсации пространственной дисперсии применен компенсационный отражатель 2. Отражатель 2 направляет излучение обратно через дифракционные решетки в горизонтальной плоскости (см. фиг. вид сверху), а в вертикальной немного смещает его (см. фиг. вид сбоку) относительно первоначального направления распространения излучения для того чтобы на выходе оптического удлинителя можно было разделить входное и выходное лазерное излучение (см. фиг. Вход 1 и Выход 1).
В оптическом удлинителе, изображенном на фиг., более длинноволновые компоненты λ1 лазерного импульса проходят более длинные пути, чем короткие λ2 и, следовательно, одни относительно других приобретают задержку во временив. Амплитудный транспарант 3, установленный в оптическом удлинителе, позволяет модулировать частотный спектр и спектральную фазу в зависимости от своей настройки.
Для того чтобы пропускать луч через оптический удлинитель несколько раз, на выходе его добавлен внешний отражающий оптический элемент 4, который заводит излучение обратно в оптический удлинитель, и соответственно при каждом прохождении излучения через оптический удлинитель временная задержка между различными частотными компонентами накапливается. Количество проходов регулируется взаимно согласованной настройкой внешнего отражающего оптического элемента 4 и отражателя 2. На фиг., в частности, изображена трехпроходная схема оптического удлинителя. (фиг. Вход 2 и Выход 2, Вход 3 и Выход 3)
Отражатели 2 и 4 могут быть плоскими диэлектрическими зеркалами, прямоугольными призмами, уголковыми отражателями (два плоских зеркала расположенными под углом девяносто градусов друг к другу) и др.
С помощью заявляемой оптической системы со следующими параметрами: центральная длина волны источника лазерного излучения 1053 нанометра, ширина спектра 3 нанометра, количество штрихов дифракционной решетки 1740 на мм, размер решетки 380×200 мм, угол падения 58 градусов на первую дифракционную решетку, расстояние между дифракционными решетками по нормали 35 см, согласно [Ахманов С.А., Выслоух В.А., Чиркин А.С. «Оптика фемтосекундных лазерных импульсов». стр.174-190. Москва, Наука, 1988] возможно сформировать лазерный импульс длительностью 4 наносекунды и реализовать возможность оперативного управления временной длительностью с помощью отражающего оптического элемента 4 в пределах от 4 до 20 наносекунд с кратностью 4 наносекунды (при организации пятипроходной схемы оптического удлинителя). Дополнительное применение амплитудного транспаранта 3, позволяющего изменять ширину спектра от 0,1 до 3 нанометров, дает возможность плавно регулировать длительность лазерного импульса в пределах от 150 пикосекунд до 20 наносекунд.