Исследование лазерных систем с формированием светового импульса в ВРМБ активных средах тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

государственный комитет госийской федерации , по высшему образованию

го -0л московский физико технический институт

! 2 дЕК <

На правах рукописи

I ■ ■

мамин

ЛЛГКСЕЙ МИХАЙЛОВИЧ

.УЛК 15?5 irr,.

Исследование лазерных систем с формированием сотового импульса в ВРМВ йктипныу.

01.04-03 • ряциофтик? включая квямтпчую р?лиофи?ику

Автореферат

диссерганяи ня спискание ученом мгпннт канп.нлятн фтико-мзтечяпг'р^кн* "эуч

Москва 1!)!)-)

Работа выполнена в Троицком Инстшуте Инновационных н Термоядерных Исследований.

Научный руководитель • кандидат физико-магемвтических наук Низиеика 10.К.

Официальные оппоненты - доктор фнзнко-магема1ичесьих наук

Напартович А.П.

- кандидат физико-матемагнческнл наук Маляровский А.И.

Ведущая организация - Институт Проблем Механики ИЛИ

Защита состоится ", ИМ года и/У *чпч.оь n.i

заседании специализированного совета К.063 91 09, Московского Фмзнко-Технцческогй Института по адресу; Москва, ул. Профсоюзная, д. 64/32, корп. В2,

Отзывы направлять но адресу: 141700 г Долк.прудний Моек обл , пер. институтский 9, МФТИ, спец совет К 063.91 09

С диссертацией можно ознакомиться в биб/жпгскс МФТИ.

Автореферат разослан "^ -" |'¡щ ,ода

Ученый секретарь специализированного совета К 003.9i 0« кандидат фнз.-мат. /тук flf Н.И.ЧуЛКиский

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Л|цуалШ'.Н'Ть____Т£ЧМ Лазеры с няносекундной и

субнаноеекундной длительностью выходного импульса находят применение и связи с широким кругом залам, в том. числе в задачах ЛТС. » лидарной диагностике и при создании мощных ультрафиолетлвич и рентгеновских источников Использование вынужденною раяенния (НР) и компрессии енотовых импульсов позволяет существенно повышать интенсивности и угловую яркость и мучения лл серных систем Почтому изучение процессов НР, открытых в 60 годах, и но (можностей их применения в лазерных системах является актуальным » настоящий момент.

Получение лазерных импульсов субнаноеекундной длительности традиционными способами, а также методом усиления чирповаин'но импульса. активно рамшваемим в последнее время, 1 робеет сложи ь'< схемных и технических решений Простота реализации, а также совокупность других важных свойств етоксова излучения, обуславливают перспективность исследования процессов НР и полезность их применения п мощных лазерных системах.

К моменту начала работы над диссертацией был и ¡вестей ряд работ по исследованию ВРМБ-к>омпрессии лазерных пучков с энергией 1-2 Дж и длительностью стоксова излучения 2-3 не, а также работы по каскадному ВРМБ н ВКР сжатию пучков субнаносекундного диапазона. Полому актуальной является данная работа, представляющая собой попытку расширить класс лазерных систем, допчч к.чюших - применение ВР-компрессии, путем расширения дианл мша длин поли и типов активных сред, используемых для

накачки, а также путем использования ВР-компрессии в широкоапертурных усилительных каскадах с составным активным элементом.

Целью диссертационной работы является экспериментальное исследование возможности применения ВР-компрессоров, в качестве рабочих элементов различных лазерных систем. Для достижения чтой пели были сформулированы следующие задачи'

1. Экспериментальное исследование параметров компрессоров, обеспечивающих стабильное формирование стоксовых импульсов требуемой длительности и расходимости.

2. Изучение работы многоканальных ВРМЬ-компрессоров п лазерах с составной апертурой.

3. Исследование формирования световых импульсов в импульс но-периодическом рубиновом лазере ( \'=4 Гц ) с двумя каскадами 13РМБ-сжатия 8 условиях больших термоискажсний активной среды и п>чков накачки.

Научная новизна.

1. Экспериментально реализована работа многоканальных компрессоров, являющихся элементами мощных лазерных систем с использованием двух- и четырехпроходных усилительных каскадов с составной апертурой и обращением волнового фронта (ОВФ).

2. Впервые продемонстрировано профилирование временной формы Лазерного импульса путем введения линии задержки в отдельные каналы многоканального ВРМБ-компрессора.

■ ■!

3.'Реализован ВРМВ-компрессор с длительностью стоксова импульса 300 пс и энергией 1 Дж, примененный в качестве выходного элемента импульсно-периодичеекого лазера на рубине (V » 4 Гц).

4. При ВРМБ-компрессии измеренный уровень предымпульса составил менее 106 от интенсивности 300 пс основного импульса.

Щ<| мим С.СКЗД... ш: ц щ'а ь-

1. Разработаны и реализованы лазерные системы нз стекле с неодимом с длительностью выходного излучения 2 -3 (Тс, использующих в качестве рабочих элементов схемы многоканальные ВРМВ-компрессоры.

2. Определены оптимальные параметры трассы взаимодействия стокс-накачка и составы газовых смесей ВР-активных сред для использования в лазерах с выходной длительностью в субнаносекундном диапазоне.

3. На основе последовательного сжатия светового импульса в двух ВРМБ-компрессорах создан импульсно-периодический лазер с длительностью выходного импульса 300 пс на установке ^Т для диагностики лараме.,, , члазмы в токамаке.

. Основные положения вцносимые на защиту. 1. Применение многоканального ВРМБ-компрессора совместно с растровой системой сведения-разведения субапертур позволяет получать' выходное излучение лазера с составной апертурой с расходимостью, соответствующей дифракционно-ограниченному пучку с размером отдельной субапертуры. При этом, путем выравнивания

оптических путей и энергий пучков накачки в отдельных каналах

<

можно получить длительность суммарного выходного импульса (3 не), лишь незначительно превышающую длительность импульса н отдельном канале (2.5 не).

2. Многоканальный ВРМБ-компрессор позволяет осуществлять временное профилирование ливерного импульса путем введении линии задержки tt отдельных каналах.

3. Возможно чффентивное ВРМБ-ежаТие лазерных импульсов до длительностей 300 пс на длине волны Я. = (ИИ i) нм при энергиях накачки »плоть до 2 Дж. При чтом процесс рассеянии сопровождается обращением полною фронта еюксона излучении но отношению к иучку накачки, что позволяет компенсировать .жачительпые термоискажении активной среды импульсно-перкодичесмио л;мера при частотах следования импульсов до 4 Гц.

Аиробаниц , рцботц Основные результаты диссертации докладывались на XIV Международной конференции "Когерентная и Нелинейная Оптика" (С.-Петербург, 1991), VII Международной конференции "Отина лазеров" (С -Петербург, 1993), Соиетско-американском симпозиуме "Исследования, технологии и торговли (Сан-Франциско, 1991), VI Совещание по диагностике высокотемпературной плазмы (С.-Петербург, 1993), Совещании Технического Комитета МАГАТЭ по Лидарному Томсоновскому Рассеянию (Абингдон, Великобритания, 1991).

По материалам диссертации опубликовано 8 работ, список которых приведен в конце автореферата.

Личный вклад соискателя. '>

Ike экспериментальные результаты, изложенные в диссертации получены лично соискателем A.M. Маминым, под научным руководством к.ф.-м.н. Ю.К. Низиенко, которому принадлежит постановка общей темы исследований и формулировка отдельных задач. 15 докладах и печатных работах, выполненных в соавторстве, автору диссертации принадлежат выбор методики, проведение экспериментальных исследований. обработка результатов экспериментов а также выдвижение гипотез о физических процессах, происходящих в исследуемых объектах.

illруктура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения Материалы изложены на 98 страницах, включая 39 рисунков, и список цитируемой "литературы из 103 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дана характеристика актуальности темы и определены основные направления исследований. Здесь же сформулированы цель, научная новизна и практическая ценность работы4, приведены защищаемые научные положения, указан личный вклад соискателя.

»

В нерпой главе дано описание соотношений параметров трассы взаимодействия стокс-накачка. при которых реализуется режим компрессии при вынужденном рассеянии. Здесь же представлена схема '-»кецерцмеитадышй лазерной установки с использованием ВРМБ-кочярессора, на которой исследовались режимы компрессии нан')се кунлныл н субнаносекундны.ч импульсов и служившая и

последующих экспериментах источником пучка накачки усилительны) каскадов лазерных систем с составной апертурой. В конце главы приведены экспериментальные методики и описание аппаратуры для измерения энергетических и временных параметров, расходимости выходного излучения и усиления широкоапертурных каскадов.

Вторая глава посвящена применению 13РМБ - коммресии в лазерных системах с многопроходными широкоапертурными выходными усилителями с составными активными элементами (АЭ) различной геометрии.

В первом параграфе излагается концепции архитектуры мощною лазера на неодимовом стекле, в основе которой использование двухпроходных усилителей с ОВФ-зеркалами. В выходном шнро'лоапертурном усилителе используется АЭ с составной апертурой Формирование расходимости и длительности выходного излучения обеспечивается использованием 9"-канального ВРМБ-компрессора

Во втором параграфе описывается экспериментальная схема и параметры лазерной системы. Выходная энергия достигала 19 Дж при длительности 3 не по полувысоте. Расходимость выходного пучка, состоящего из 9" субапертур 12 х 12 ммг была близка к расходимости отдельного дифракционно-ограниченного пучка с размером 12 х 12 ммг. Приводятся результаты численного моделирования усиления для одного канала выходного усилителя. '

В третьем параграфе обсуждаются результаты по оптимизации ьременной формы стоксова импульса и коэффициента отражения для одного канала компрессора. Показано что для достижения наибольшей степени сжатия' предпочтительно использование аргона, обеспечивающего формирование 2.5 не стоксова импульса.

• т

!

Применение Ы'ь позволяет увеличить коэффициент отражения при одновременном увеличении длительности рассеяного излучения. Предложена оптимизированная ВРМБ-среда в виде смеси АгЭГ«. Описываются эксперименты демонстрирующие возможность профилирования формы импульса в схеме многоканального компрессора.

Четвертый параграф главы посвящен испытанию лазерной-системы на неодимооом стекле с составной апертурой выходного пучка 1(Х) х КХ) мм". Лазерная система разработана л^предложенной ранее архитектуре лазера с ОВФ и компресрией световых импульсов. Приводится описание лазера, В схеме использованы 4*-проходные усилители в . предварительном и выходном каскадах. Широкоапертурный усилитель состоит из 6" пластинчатых (слэб) АЭ 20 * 120 * 320 мм', что позволило улучшить коэффициент заполнения апертуры до 71% и повысить компактность и эффективность осветители

В пятом параграфе обсуждаются результаты исследования усилительных характеристик отдельного слэба при различной геометрии хода лучей. Высокая неоднородность усиления по поперечному сечению при использовании геометрии с прямым ходом лучей приводит к самофокусировочному разрушению вблизи боковой поверхности АЭ. Яри использовании геометрии с отражением от одной или двух боковых граней АЭ была достигнута хорошая однородность усиления по поперечному сечению пучка при полной выходной энергии с одной пластины в 20 Дж.

В конце главы обсуждаются возможности составных ВР-комирессоров по достижению высокой однородности распределения

анергии выходного' излучения на мишени в рамках задачи ЛТС, а

*

также суммируются основные преимущества реализованных схем усиления в сравнении с традиционными: простота изготовления и обслуживания, компактность конструкции, возможность дальнейшей! масштабирования, возможность реализации импульсно- периодиче< мно режима работы, возможность профилирования формы импульса и изменения пространственно-временной когерентности выходного излучении.

В третьей главе диссертации иредстаилены результаты исследований ВРМЬ-сжатия импульсов с длительностью порядка единиц наносекунд и применения двухкаскадной BF'MIi - компреаии в импульсно - периодическом лазере на рубине, предназначенном для дидарной томсонопской диагностики плазмы в диперторе тока.чаьа Jl:T.

В первом параграфе описываются лазерные установки, на которых исследовались вопросы последовательного двухкаскадпого сжатия 20 не импульсов до длительностей порядка coren пимч-екунд для длин волн к - 0.53 мкм и = О Ъ91 мкм Досгигнутыо длительности стоксовых импульсои 220 - .400 пс при »нергетичеемж эффективности до 50% позволили предложить схему лазерной системы на рубине с выходной энергией 1 Дж.

В втором параграфе дано описание лазерной сисилп.', основанной на схеме генератор - усилитель. Оконечный каскад лазера представляет собой дьухпроходный усилитель на двух лазерных головках с ВРМБ - компрессором, расположенном после перниго" прохода но усилителю. Данная схема позволила nviexi opmi опальной ориентации z-осей АЭ и применением отринагетыыи линзы уежду лазерными головками сушествепно уменьшить цилиндрическую н

ч

сферическую составляющие термоискажений. Выходная энергия каскада Г.,( > 2 Дж при максимальной частоте повторении импульсов V = -1 Гц Для формирования светового импульса нужной длительности 300 пс использовался второй ВРМБ - компрессор. При достигнутой чффекгииности преобразования накачки в стоксову иолну 50% ныходния -жергия системы составляла Квы> = I Дж. Измеренный уровень предымпульса на расстоянии 300 пс от максимума был менее 10 " Далее приводятся параметры стоксоных нмнульсоя обоих каскадов сжатия В качестве ВРМЬ-лктивной среды использовался газообразный аргон при давлении 20 атм. Добавление элегаза (Р = 0.3 • 2 атм.) по«молило повысить порог пробоя и обеспечить стабильность компрессии в имиулмно-периЬдическом режиме. В зависимости от длительности импульса накачки первого каскада компрессии, длительность стоксоного импульса менялась в диапазоне 0.6 - 2 не. Максимальная степень сжатия достигалась при самой короткой наннчм' и составляла К я 23

1! конце [лавы суммированы преимущества рассмотренного лазера перед традиционными схемами прямого усиления излучения генераторов с синхронизацией мод:

- большая чнергетическан эффективность

- отсутствие вакуумных пространственных фильтров

- использование н качестве выходного каскада лазера газовой ВРМБ-кюветы, что исключает возможность разрушения активных элементов мощным выходным пучком

- малая-расходимость выходного излучения.

В заключении излагаются основные результаты работы.

ю

Основные результаты.

1. Созданы лазерные системы на стекле с неодимом на основе двух- и четырехпроходных каскадов усиления, с использованием ОВФ в каждом каскаде и компрессией излучения в выходных усилительных каскадах, в которых используются ЛЭ с составной апертурой (до 100 см"). Показаны преимущества данной архитектуры мощного лазера для задач, связанных с проблемами ЛТС, по сравнению с традициою ■ ьи; схемами прямого усиления.

2. Показано, . что использование растровой системы сведения разведении субапертур в сочетании с многоканальным ВРМ1>-компрессором позволяет получить выходное излучение лазера с составной апертурой и едином телесном угле, соответствующем дифракционно-ограниченному пучку с размером субапертуры.

3. Введением линии задержки в отдельные каналы многоканального ВРМ1>-компрессора помучено временное профилирование лазерного импульса.

4 Создан диагностический импульсно-периодический лазер на рубине (у=4 Гц) с двумя каскадами ВРМБ-компрсссии, обеспечивающими длительность выходного импульса I = 300 пс при = 1 Дж.

Показано, что уровень светового предымпульса в такой системе менее 10ь на расстоянии полуширины от максимума основного 30" 1,с импульса.

5. Показано, что схема двухпроходного усиления на основе лазерных головок с ортогонально ориентированными г-осями рубиновых АЭ и ОВФ позволяет эффективно компенсировать термонаведенные искажения различных типов в рубине (псг=0.4%) вплоть до частот следования импульсов 4 Гц.

Основные результаты опубликованы в следующих работах:

1. Белоусов В,Н , Мамин A.M., Низиенко Ю.К., Сидоров А Р. Лазер с синтечиронанной апертурой, обращением волнового фронта и компрессией излучения // Изв.- РАН, Сер. Физ., 1992, Т. 5G, С. 180-189

2. V.X.Belousov, A M Mamin, Yti.K.Ni/jenko. Diagnostic Niil.aser with Composed Aperture and Non-Linear Elements / / Proc. IAEA Technical Commitee Meeting on Lidar Thomson Scattering, 1991, P. 10:*-1 OH

3 Yu. NUienko, A. Matnin, I*. Nielsen, B. Brown, Development and Evaluation o[ Pulse Compression of the KE1 Ruby l.aser //JET Report JE1/13281. 1992. P. 1-15.

•1. Белоусом В.П.. Мамин A.M.. Низиенко Ю.К., Сидоров А.Р. Лазер с синтезированной апертурой, обращением волнового фронта и компрессией излучения //Тезисы докладов XIV Международной конференции ,,КиНО,9Г, С.-Петербург, I991.T. 3, С. 14G.

Г>. Г>е.'ы\ччт В Н., Мамин A.M., Низиенко Ю.К., Сидоров А.Р. Лазер для лндарпой диагностики плазмы //Тезисы докладов VI Совещания По диагностике высокотемпературной плазмы, Санкт-Петербург, 1993. С. 37.

0. Белоусов В.П., Мамин A.M., Низиенко Ю.К., Сидоров А.Р. Мощный лазер с составной апертурой, ОВФ-зеркаламн и компрессорами сиегозых импульсов //Изи. РАН. Сер. Физ., 1991 Т. 58. С. 9-12.

7. Yn. Ni/iefiko. Д. Mamin, P. Nielsen. В. Brown. 300 ps Ruby Laser using SBS Pulse Compression //Rev. Sci. Inclrum., !99-l,V. ,P

S. Белоусов В.П.. Мамин A.M., Низиенко Ю К . Сидоров А.Р. Лазер для .'пиарной диагностики плазмы //Физ. плазмы. 1991, Т. . С .

т

М<РТЫ 10. 11.91 злк. л/ /i'SO rup. № sv-í.

j