Генерация мощного лазерного импульса с контролируемыми параметрами для плазменного эксперимента тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.05 ВАК РФ

/ //

/

ВСЕРОССИЙСКИЙ НАУЧНЫЙ ЦЕНТР "ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ОПТИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ имени С.И.ВАВИЛОВА"

На правах рукописи

Ваньков Александр Борисович

ГЕНЕРАЦИЯ МОЩНОГО ЛАЗЕРНОГО ИМПУЛЬСА С КОНТРОЛИРУЕМЫМИ ПАРАМЕТРАМИ ДЛЯ ПЛАЗМЕННОГО

ЭКСПЕРИМЕНТА

Специальность 01.04.05 оптика

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук.

Научные руководители: Доктор физико-математических наук профессор В. А. Серебряков Кандидат физико-математических наук В. Е. Яшин

Санкт-Петербург - 1999 г.

I)

!

5 )

ГЕНЕРАЦИЯ МОЩНОГО ЛАЗЕРНОГО ИМПУЛЬСА С КОНТРОЛИРУЕМЫМИ ПАРАМЕТРАМИ ДЛЯ ПЛАЗМЕННОГО

ЭКСПЕРИМЕНТА

Введение 6

Глав а 1

Генерация и применение сверхкороткого

мощного импульса ( обзор литературы ) 14

1.1. Генерация фазовомодулированного импульса. 15

1.2. Применение техники СРА для экспериментов по исследованию лазерно-индуцированной плазмы. 22

1.3. Формирование импульса для лазерного термоядерного

синтеза 27

1.4. Генерация высококонтрастного импульса и цугов

импульсов с контролируемыми параметрами. 32

1.5. Влияние самомодуляции на спектральные и

временные параметры излучения при усилении. 38

1.6. Другие возможности применения чирпированного

импульса 42

Выводы 48

Глава2

Генерация высококонтрастного импульса в мощной

лазерной системе с многопроходовым усилением. 50

2.1. Получение стабильного цуга пикосекундных импульсов в задающем генераторе. 50

2.2. Режимы работы регенеративного усилителя и

интерференция чирпированного импульса 59

2.3.Теория интерференции чирпированных импульсов в регенеративном усилителе 64

2.4. Контраст системы по предимпульсам 68 Выводы 70

ГлаваЗ

Повышение контраста импульса с помощью

электрооптического дефлектора. 71

3.1.Основные принципы работы дефлекторов с линейно изменяющимся в пространстве показателем преломления 71

3.2.Оценка возможностей квадрупольных дефлекторов 76

3.3.Экспериментальные исследования квадрупольных дефлекторов 77

3.4.Повышение контраста сверхкоротких лазерных импульсов

с помощью электрооптического дефлектора 79

3.5. Система селекции импульсов 82 Выводы 89

Глава 4

Экспресс-диагностика цугов фазовомодулироваиных импульсов 91

4.1. Линейная теория интерференции чирпированных импульсов 91

4.2.Спектр цуга импульсов. 95

4.3. Экспериментальная экспресс-диагностика цуга импульсов. 97

4.4.Точность измерения временных интервалов. 101

4.5. Преимущества измерения временных интервалов

с помощью метода спектральной интерферометрии 107

Выводы 109 Глава 5.

Управление параметрами цуга импульсов и формирование

временного профиля наносекундного лазерного импульса. 111

5.1. Синтез пикосекундных импульсов в технике CPA 111

5.2. Энергосъем рентгеновского излучения из плазмы, индуцированной цугом лазерных импульсов 114

5.3. Теоретическое обоснование формирования наносекундного импульса 122

5.4.Сглаживание пространственного профиля пучка. 128

5.5.Синтезирование периодической временной формы

импульса с заданной формой зубца. 131

Выводы 134 Глава 6

Исследование нелинейного преобразования частоты при

усилении цуга чирпированных импульсов 136

6.1.Теоретическое рассмотрение 136

6.2.Обсуждение результатов 141

6.2.1.Интерференция двух импульсов. 142

6.2.2. Интерференция нескольких импульсов 145 6.3.Основные результаты, наблюдаемые в эксперименте 148 Выводы 158

Заключение 159 Приложение 1

Лазерный радар с высоким пространственным разрешением 162

Приложение 2.

Интерферометрия чирпированного импульса как метод дистанционного измерения доплеровских сдвигов частоты. 168 Литература 111

Введение

Одним из наиболее перспективных методов генерации коротких лазерных импульсов является метод, основанный на усилении фазовомодулированных (чирпированных) световых импульсов относительно большой длительности с их последующим сжатием в дисперсионной линии задержки, состоящей из пары дифракционных решеток [9,10]. Поскольку ширина спектра усиливаемого импульса должна быть достаточно большой (соответствующей длительности короткого импульса после сжатия), на этом принципе работают лазеры с большой спектральной полосой усиления, например, лазеры на неодимовом стекле или сапфире с титаном.

В связи с бурным развитием техники генерации и усиления чирпированных импульсов[1,2] оказалось возможным получать на мишени световые поля с интенсивностью более 1017 Вт/см2. Это открывает принципиально новые возможности экспериментального исследования таких явлений физики, как создание ионов высокой кратности, надпороговая многофотонная ионизация, генерация излучения суперконтинуума, лазерное ускорение частиц до высоких энергий, и др. Большой интерес для исследователей представляет изучение взаимодействия таких полей с высокотемпературной плазмой и использование такой плазмы в качестве источника как интегрального, так и мощного рентгеновского излучения[2-5].

Сверхкороткие рентгеновские импульсы длительностью в несколько пикосекунд могут найти применение для изучения сверхбыстрых процессов в физике твердого тела, биологии и медицине.

В последнее время появился ряд работ, в которых рассматриваются новые схемы лазерного термоядерного синтеза (JITC), позволяющие существенно снизить энергетику лазера для осуществления "вспышки" горючего и повысить коэффициент усиления термоядерной мишени [92,93].

Формирование профилированного наносекундного импульса для последующего усиления в мощных лазерных системах для JITC также проводится путем синтеза коротких лазерных импульсов, полученных в технике Chirped Pulse Amplification (СРА)[127].

За последние несколько лет появилось несколько работ, в которых исследуются возможности применения техники CPA в лазерной локации и измерении профиля скорости ветра[171].

Таким образом, область применения сверхкоротких импульсов непрерывно растет.

Однако для генерации рентгеновского излучения такой короткой длительности и для изучения взаимодействия таких полей с высокотемпературной плазмой требуется пикосекундный импульс большой энергии с высоким контрастом, так чтобы возможный предимпульс не приводил к образованию плазмы.

Контраст излучения.

Снижение контраста может быть обусловлено несколькими причинами, которые проявляются по разному на разных интервалах времени от максимума основного сжатого импульса.

В задающем генераторе недостаточное качество синхронизации мод может приводить к нежелательным сателлитам в диапазоне нескольких десятков пикосекунд. Однако применение просветляющихся поглотителей с

короткими временами релаксации вместе с отрицательной обратной связью позволяет получать устойчивую синхронизацию мод.

Другой тип шумов развивается на временах в несколько наносекунд перед основным импульсом и связан с многопроходовым характером усиления в регенеративном усилителе. Для удаления этих предимпульсов используются быстрые оптические затворы, например, ячейки Поккельса.

Третья причина связана с искажением линейности чирпа импульса в результате прохождения усилительной системы. Сюда относятся насыщение усиления , самомодуляция, селективные потери и т. д.

Четвертая группа причин ухудшения контраста связана с развитием усиления в регенеративном усилителе. Так, усиленное спонтанное излучение в резонаторе регенеративного усилителя приводит к образованию пьедестала сверхкороткого импульса. [111] Для его устранения необходимо, чтобы резонатор имел исходно низкую добротность, а после включения усиление не проход было велико. В этом случае происходит временная селекция основного импульса.

Однако, кроме спонтанной эмиссии, на вход регенеративного усилителя поступают и усиливаются импульсы цуга задающего генератора. Перекрываясь во времени, они образуют пространственно - временную структуру, которую мы назвали интерференцией чирпированных импульсов.

Эффект интерференции чирпированных импульсов В процессе исследования оптимальных методов повышения контраста сверхкоротких импульсов было обнаружено, что интерференция чирпированных импульсов приводит, например, к появлению дополнительных импульсов, период следования которых не соответствует

межмодовому расстоянию ни задающего генератора, ни регенеративного усилителя. Тем не менее, период остается регулярным при не слишком больших уровнях усиления в регенеративном усилителе (РУ).

Было выяснено, что эти импульсы появляются в регенеративном усилителе и не имеют отношения ни к возможным сателлитам в задающем генераторе (ЗГ), ни к селективным потерям в регенеративном усилителе . Спектрально - временной состав излучения таков, что в результате самомодуляции исходный спектр значительно преобразуется, и появляются дополнительные сателлиты, вызванные нелинейным взаимодействием импульсов.

Эффект, очевидно, тем значительнее, чем ниже уровень временной селекции импульсов на входе в регенеративный усилитель. Решающую роль играет также контраст выделения единичного импульса на входе в регенеративный усилитель.

Таким образом, для подавления вредного влияния эффекта на контраст излучения необходимо применять высококонтрастные оптические селекторы, и иметь возможность управлять развитием усиления в регенеративном усилителе для поддержания оптимальных параметров ввода излучения. Однако значение самого эффекта, который мы назвали интерференцией чирпированного импульса, не ограничивается проблемой контраста ультракороткого импульса. Как будет показано ниже, этот эффект может быть полезен в качестве точного метода измерения расстояний и скоростей удаленных предметов, а также для формирования длинных цугов терагерцного диапазона, для увеличения энергосъема генерации рентгеновских пучков в высокотемпературной плазме, и для некоторых других применений.

Для исследования эффекта интерференции чирпированного импульса мы использовали систему, в которой имеется возможность варьирования параметров развития усиления чирпированного импульса в регенеративном усилителе, а также возможность ввода одного или нескольких импульсов из задающего генератора.

Цель работы:

Целью данной работы является экспериментальное и теоретическое исследование основных закономерностей возникновения и усиления цугов фазовомодулированных импульсов в регенеративном усилителе мощной пикосекундной лазерной системы, влияние этих процессов на временную и спектральную структуру лазерного импульса и изучение возможностей их применений для плазменного эксперимента.

Задачи работы:

1. Теоретическое и экспериментальное изучение эффекта интерференции чирпированных импульсов

2. Экспериментальное исследование методов улучшения контраста с помощью электрооптических дефлекторов.

3. Разработка экспресс-анализ а цуга импульсов на основе изучения их спектральных характеристик.

4. Теоретическое и экспериментальное исследование нелинейных явлений в регенеративном усилителе и эффекта уширения спектра при усилении цуга чирпированных импульсов.

5. Демонстрация возможностей сверхточного определения скоростей и расстояний удаленных предметов с помощью спектральной модуляции импульса в регенеративном усилителе.

Структура диссертации:

Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и двух приложений.

В первой главе рассматриваются общие принципы построения систем с усилением фазовомодулированного ( чирпированного ) импульса. Приводится общая блок - схема системы на неодимовом стекле с усилением чирпированного импульса для получения сверхкоротких импульсов большой энергии. Описано оптическое устройство для удлинения импульса (стретчер) и сформулированы требования для правильной рекомпрессии импульса. Приведены требования к контрасту сверхкороткого импульса. Определены области применения и принципы генерации цугов сверхкоротких импульсов.

Во второй главе подробно рассмотрена система, построенная на основе изложенных положений. Описана работа задающего генератора, экспериментальные результаты измерений временных и энергетических параметров выходного излучения. Изложен принцип действия регенеративного усилителя и приводятся экспериментальные результаты развития цуга внутри резонатора. Измеряется контраст внутрирезонаторного выделения одного импульса и определяются требования к системе повышения контраста на выходе системы.

Описан механизм действия эффекта интерференции чирпированного импульса. Проводятся экспериментальные и теоретические исследования спектральных характеристик выходного излучения. Формулируются требования к системе вырезания одного импульса на выходе задающего генератора.

В третьей главе рассмотрены методы повышения контраста с помощью электрооптических дефлекторов. Построен квадрупольный дефлектор на базе кристалла танталата лития и осуществлена схема повышения контраста, где в качестве элемента управления используется кремниевый высоковольтный ключ со скоростью переключения меньше 1 не. Представлены экспериментальные данные собственного контраста системы и описаны особенности ее работы. Такая система устраняет предимпульсы, возникающие из за неидеальности работы внутрирезонаторного выделения в регенеративном усилителе. Система селекции импульсов, поступающих на вход регенеративного усилителя вырезает один или несколько импульсов с требуемыми параметрами и управляет контрастом на временах пикосекундного диапазона. Таким образом осуществлена система с контролируемым контрастом выходного импульса для экспериментов по взаимодействию с плазмой.

В четвертой главе продемонстрирована возможность измерения параметров цугов СКИ. Предсказанная теоретически и измеренная в эксперименте спектральная модуляция составного чирпированного импульса позволяет определять временные интервалы и относительную амплитуду импульсов с высокой точностью. Отмечается простота регистрации и высокая чувствительность к слабым предимпульсам.

В пятой главе исследуется применение цугов импульсов в плазменном эксперименте а также возможность генерации импульса для лазерного термоядерного синтеза (ЛТС). Использование метода синтеза сверхкоротких импульсов (СКИ) в регенеративном усилителе позволяет получить импульс оптимальной формы с временем нарастания в единицы пикосекунд.

В шестой главе проведены исследования нелинейных явлений в регенеративном усилителе при усилении цуга чирпированных импульсов. Приводятся результаты теоретического рассмотрения эффекта появления сателлитов , сдвинутых по частоте и по времени относительно основных импульсов цуга. Приводятся результаты экспериментальных исследований, которые показывают степень уширения спектра при различных интегралах распада, а также возможности применения этих явлений для укорочения длительности импульса цуга и сглаживания пространственного профиля пучка. В заключении приведена сводка основных результатов, полученных в диссертации.

Положения, выносимые на защиту.

1. Обнаружение эффекта интерференции чирпированных импульсов в регенеративном усилителе, который приводит к появлению сателлитов сверхкороткого импульса в пикосекундном диапазоне длительностей.

2. Экспериментально исследованный метод подавления эффекта интерференции чирпированных импульсов с помощью электрооптического дефлектора.

3. Метод временного синтезирования цугов сверхкоротких импульсов с терагерцным диапазоном частот следования, дающий возможность гибко изменять каждый импульс цуга по амплитуде путем профилирования наносекундного (период-13нс) цуга чирпированных импульсов, инжектируемого в регенеративный усилитель.

4. Обнаружение многократного (в 4 раза) уширения спектра перекрывающихся во времени чирпированных импульсов в результате их нелинейного взаимодействия в среде активных элементов усилительного тракта.

Глав а 1

Генерация и применение сверхкороткого мощного импульса ( обзор

литературы)

Существуют различные методы получения пикосекундных импульсов большой энергии. Условно их можно разбить на два типа: прямое усиление коротких лазерных импульсов или усиление относительно длинных импульсов с их последующим сжатием. Получению импульсов с большой пиковой интенсивностью в лазерах с прямым усилением препятствуют такие нелинейные эффекты, как оптический пробой и самовоздействие [7]. Лучевая стойкость материалов \У [Дж/см2] примерно пропорциональна корню квадратному из длительности импульса вплоть до длительности около 10 пс [8], и поэтому для получения большой выходной энергии необходимо использование усилителей (и других элементов) большой апертуры, что резко увеличивает трудности создания такой системы и в конечном счете, ее стоимость. Мелкомасштабная самофокусировка излучения в оптических элементах схемы еще сильне�