Исследование мощных лазерных систем с составным активным элементом и обращающими волновой фронт нелинейными зеркалами тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ПО ВЫСШЕМУ ОБРАЗОВАНИЮ

МОСКОВСКИЙ ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

На правах рукописи УДК 635.375

Сыоров Алексей Романович

ИССЛЕДОВАНИЕ МОЩА« ЛАЗЕРНЫХ СИСТЕМ С СОСТАВНЫМ АКТИВНЫМ ЭЛЕМЕНТОМ И ОБРАЩАЮЩИМИ ВОЛНОВОЙ ФРОНТ НЕЛИНЕЙНЫМИ ЗЕРКАЛАМИ '

АВТОРЕФЕРАТ д!ссертаиш на соискание ученой степени канишата физико-математических наук

01.04.03 - рздиофизика

Москва 19?4

- г -

Работа выполнена в Троицком Иституте Инновационных и Термоядерных Исследований

Научный руководитель : каюшдат физико-математических наук Ииэиенко Ю.К.

Официальное оппонента: доктор физико-математических наук

Ведущая организация : Институт проблем механики РАЛ

Защита состоится ¿кУО^ ц 19901'. ъК часов

на заседании Специализированного Совета К.063.91.09 в Московском 4лзико-техническом Институте по адресу: Москова, ул. Профсоюзная, д. 84/32, к. В-2.

Отзывы направлять по адресу: 141700, Московская обл., г. Долгопрудный, Институтский пер., д. 9, МФТИ, Специализированный Совет К.063.91.09 С диссертацией можно ознакомиться в библиотека Иститута Автореферат разослан "23_" г

Ученый секретарь Специализированного Совета

Власов Д.В.

кандидат физико-математических наук Леонов А.Г.

кандидат фшко-математических наук

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность теыы. Лазеры, пиковая мощность которых з

диапазоне наносекукдкых длительностей импульсов достигает.

нескольких терраватт, были в свое время разработаны для

экспериментов по лазерному термоядерному синтезу (ЛТС). В;

процессе изучении ЛТС требования к лазеру постепенно

прояснялись и сейчас мо*но сформулировать основное черты этого

лазера: выходная анергая лазера, несмотря на все

усовершенствования мишени, должна Сыть порядка Ю- МЛж,.

длительность импульса 1-10 не. длина волны излучения 0.2-0.6

мкм, частота повторения 1-10 импульсов в секунду, кпд- около 10$.

В настоящее время достигнуты следушие параметры для лазера на неодимовом стекле: виходная энергия до 100 кДж< при-длительности импульса ~1 не, частоте повторения I импульс в час и кпд менее 0.1?.

Основными проблемами использования лазеров на. неодимовом стекле для ЛТС до сих пор остаются низкий кпд. и- частота повторения импульсов. Из-за низкого кпд система питания современных лазеров уже превосходит по мощности и.- энергии системы питания самых большие токамаков. Однако., использование бурно развивающихся в последнее время полупроводниковых, лазерных диодов для накачки твердотельных лазеров,, позволит, повысить кпд кеодимовых лазеров до десятков процентов и частоту, повторения импульсов до сотен герц.

На начальных этапах развития лазерной техники на передний.' план выдвигались•задачи улучшения энергетических характеристик лазерных систем. Однако, в ряде случаев практического применения лазеров принципиальным стало достижение дифракционного предела расходимости. Поэтому, новые открытия в области, не-

линейной оптики, твкие как обращение волнового фронта, компрессия лазерных импульсов при вынужденных рассеяниях сразу же были использованы для улучшения параметров имешдася лазерных систем.

Актуальность и практическая значимость исследования в направлении использования новых методов и явлений для создания эффективных, компактных, мощных лазеров с высокой яркостью обусловлена тем, что результаты тэких исследований могут быть непосредственно применены для решения таких задач , как ЛТС и взаимодействие излучения с веществом.

Целью настоящей работы явилось создание мощного высокоэффективного лазера на неодкмовом стекле для экспериментов по ЛТС по схеме, включающей в себя выходной усилитель с составной апертурой, работающий в многопроходном режиме, систему обращения волнового фронта и компрессии лазерного импульса. В работе были поставлены и решены следущие задачи«

1. Исследование ОВФ при ВШБ в сфокусированных пучках применительно к мощным лазерам и оптимизация параметров излучения для повышения эффективности ВРМБ-зеркал.

2. Анализ оптичеасих искажений активных элементов и методы их компенсаций с помощью нелинейных элементов.

3. Исследование 0№-збркалэ в режиме компрессии световых импульсов.

4. Изучение работы выходного усилителя с составным активным элементов в виде набора цилиндров и пластин.

5. Исследование физических ограничений мощности выходного излучения в предложенных схемах реализации мощных лазеров.

Научная новизна работы состоит в том. что здесь I. Реализована схема мошного лазера на неодимовом стекле с сос-

тавной апертурой, обращением волнового фронта и компрессией лазерного импульса. Данная схема может стать прототипом для создания высокоэффективного, компактного, мойного лазера, например, для задач по управляемому ЛТС;

2. Найден режим оптимальных параметров лазерного импульса и нелинейной среды для реализации ОВФ при ВШБ мощных лазерных импульсов.

3 . При исследовании механизмов ограничения выходных параметров лазера показано, что наряду с ММС другой причиной неустойчивости волнового фронта выходного излучения является ЧВВ в активном элементе лазера.

Пра'тиЧеская ценность работа. Предложенная схема лазера и принципы построения, лежащие в его основе является довольно универсальными, и могут быть легко перенесеки в другие области исследований, такие как например создание лидэрных систем для диагностики плазмы или компактных тераваттных лазеров для задач по взаимодействию мощного излучения с веществом.

На за'циту выносятся :

1. Экспериментальная реализация и детальное исследование схемы мощного лазера на неодимовом стекле включаещего в себя систему ОВФ, компрессию лазерного импульса и выходной усилитель с составной апертурой общей площадью см2, со следующими выходными параметрами: выходная энергия-до 20 Дж. ти= 2.5 не, расходимость - менее КГ^род.

2. Модификация схемы мощного лэзьра нэ неодимовом стекле, использувдех'о четырехпроходный выходной усилитель с ссоставным активным элементом, состоящим из тесы пластинчатых элементов, с суммэрной выходной апертурой около 100 см2. Показана возможность масштабирования схемы лазера до больших выход-

ных энергий (килоджоульного уровня).

3. Результаты экспериментальных исследований выходных характеристик отдельного слаба оконечного усилителя в различной геометрии. Показано, что в случае когда в выходном усилителе используются пластинчатые активные элементы с зиг-заг ходом, выходное излучение отличалось высокой однородностью по поперечному сечению ];учка и большим знергосъемом при заданной энергии накачки.

4- Результаты исследований ОБФ применительно к мощным лазерным системам с составной апертурой. Выбраны оптимальные режимы работы нелинейных элементов при высоких уровнях накачки.

Апробация работы. Результаты диссертации докладывались на XIV Международной конференции КШЮ'Э! (С.-Петербург 19Э1), VII Международной конференции Оптика лазе ров'93 (С.-Петербург 1993), VI совещании по диагностике высокотемпературной плазмы (С.-Петербург 1993), семинарах ТРИШ1ГИ, МФТИ. ИОФ РАЛ.

Публикации. Оснозные результаты диссертации опубликованы в шести печатных работах.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Каждая глава начинается кратким обзором литературы по соответствующим вопгк>сам и заканчивается выводами, наиболее важные из которых сформулированы ниже в качестве защищаемых положений. Общи", объем диссертации ЛО страниц, из них 72 страниц текста и с рисунками. Библиография включает /а? названий на/3 страницах.

. . СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность выбранной темы, указана цель работы, изложено краткое содержание диссертации и сформулированы положения выносимые на защиту.

В первой главе рассматриваются принципы построения, критерии оптимизации оптических схем и элементов мощных лазеров с целью повышения эффективности накачки и энергосъема с эктивной среды.

В §1.2. Дан анализ схем лазерных систем высокой мощности. В настоящее время все оптические схемы мощных лазеров на неоди-мовом стекле можно разделить по принципу построения на следующие основные классы: схемы прямого последовательно-параллельного усиления и схемы многопроходового усиления. Показано, что многопроходовые схемы усиления обладают рядом преимуществ перед одноцроходовыми:

во-первых, значительно уменьшается количество усилителей; во-вторых, при реализации многопроходовых схем с четным числом проходов, становится возможным использование эффекта • обращения волнового фронта для коррекции фазовых искажений. Это позволяет использовать оптические элементы сравнительно невысокого качества, что приводит к снижению стимости системы. К тому же ОВФ- зеркало на основе пороговых нелинейных эффектов тклз ВШБ позволяет увеличить контраст импульса излучения, что важно в ряде применений, например для ЛГС.

В' 51.3 представлены результаты исследований реализованных схем* г<остроения ламера на нёодимовом стекле. Отмечены следующие преимущества используемых схем лазера перед традиционными:

Во-первых, высокая :.<ффективность съема запасенной в активных элементах энергии обеспечивалась за счет того, что усилитель и лредусшштель работали в двух- и четырехпроходовых режимах в сочетании с ОВФ-зеркэлами, обеспечивая при этом высокое качество излучения как на выходе предусилителя , так и на выходе схемы.

Во-вторых, лазер построен таким образом , что он работает в режиме усиления длинного (25 не) импульса, с последушим сжатием в ВРМБ-компре ссоре, выполняющим одновременно роль ОВФ-зеркало. Ото обеспеспечило невысокую лучевую нагрузку на рабочие оптические элементы предусидителей (не более 0.3-0.5 Гвт/см~), и также наиболее эффективный съем запасенной энергии;

В-третькх. высокий коэффициент усиления и плотность запасенной энергии в ьыходном каскаде обусловлена тем, что оконечной широкоаппертурный усилитель имеет составную ашертуру, состоящую из некомпактно расположенных активных элементов, между которыми размещены лампы накачки. Данная система накачки, называемая "световой котел", имеет высокую эффективность в сочетании о дешивизной.

В-четвертых, система разведения единого пучка на отдельные фрагменты . соответствуйте активным элементам вместе с растром ОВФ-зеркал (которые одновременно вш.^лняли роль ВШБ-компрессоров) автоматически является , при повторном проходе в силу обратимости волнового фронта, системой сведения некомпактно расположенных фрагментов в единый компактный нучек.

В §1.3.1 представлено описание схемы мощного лазера на неодимовом стекле . с 9-ти канальным составным активным элементом (АЭ). Основными элементами лазера являются: гадаший генератор, воздушный пространственный фильтр, вентили фараде я., предусилители, ОВФ-зеркало предусилителя, телескопы, ромб Френеля, растровая система разведения - сведения пучка, девяти-канальный усилитель, ВШБ-комнрессор.

В 61.3.2 представлен анализ модификации мощного лазес>а на неодимовом стекле, которая затронула, главным образом, выходной усилитель, однако при атом были внесены изменения в схему пред-

усилителя и в систему разведения - сведения лазерного пучка. Активным элементом модифицированного выходного усилителя служили шесть пластинчатых элементов (слабой) с сечением каждого 20X120 ммг. Были проведены испытания слэбов как в режиме усиления с прямым ходом пучков, так и с их отражением от боковых граней (см. Гл.З). Было показано, что лазер с составной апертурой, .ОВФ-зериалами и компрессией световых импульсов по своим принципам и архитектуре построения наиболее полно удовлетворяет современным представлениям о создании мощных лазерных систем для ряда приложений, в том числе, например, для задач по ЛГС.

Во второй главе рассмотрены возможности применения явления ОВФ при ВКМБ в мощных лазерных системах. Наиболее важным элементом, лежащим в основе реализации предложенной оптической схемы является оброшьшее волновой Фронт (ОВФ) зеркало на основ« вынужденного рассеяния Манделылтама-Бриллшнэ (ВШБ) при Фокусировке излучения в нелинейную сроду . Основное назначение такого элемента- это динамическая коррекция возникающих (или уже существуших) Фазовых искажений волнового Фронта исходного пучка. Кроме того, в предложенной схеме ОВФ зеркало выполняет следущие Функции :

а) совместно с растром системы разведения пучка , является неотъемлимой частью системы сведения некомпактно расположенных фрагментов пучка на выходе основного усилителя в единый компактный пучек лазера;

б) в последнем каскаде усиления ОЕФ-зеркало работает в режиме компрессора, укорачивая длительность исходного импульса;

в) роль пространственного фильтра, осуществляя при этом трансляцию изображении по трассе лазера и межкаскадную развязку от паразитных шумов по слабому сигналу;

г) 13 силу нелинейного характера нарастании величии; отраженного от ОВФ-зеркала импульса, последний имеет очень высокий контраст по предимиульсу { более 107), что является очень важным свойством в экспериментах по облучению мишеней в задачах ЛТС.

В §2.2 проанализированы условия реализации ОВФ применительно к мощным лазерам, сделаны соответствуйте опенки и практические выводы, которые были учтены в .работе с ОВ^зеркалами в предложенных схемах.

В § 2.3.1, 2.3.2 представлены результаты исследований и анализ оптических искажений в активных элементах , методы динамической коррекции фазовых искажений исходного пучка и компенсации деполяриэции в усилителях с помощью ОВФ-зеркал применительно к нашей схеме лазера . Представлены результаты работ по оптимизации параметров излучения для повышения эффективности ВРМБ-зеркал.

В § 2.3.3 проведен анализ и представлены результаты исследования ВШБ- компрессии в сфокусированных пучках в выходном каскаде мощного лазера.

Глав а_3 посвящена детальному исследованию особенностей

выходного усилителя с составной апертурой двух модификаций: с цилиндрическими и пластинчатыми активными элементами.

§ 3.1 Посвяшен анализу энергетических возможностей систем накачки на неодимовом стекле. Показано, что система накачки типа "световой котел", используемая в оконечных усилителях предложенных лазеров, из всех известных в настоящее время ламповых типов накачки обладают максимальным значением по величине запасенной энергии и кпд.

В §3.2 .были показаны преимущества и недостатки 9-ти

канального усилителя с цилиндрическими активными элементами предлагаемой схемы мощного лазера.

§ 3.3 посвящен исследованию свойств 6-ти канального •выходногЪ усилителя с пластич.атыми активными элементами. Приведены результаты исследований отдельного '-лэба как в режиме прямого усиления, так и о отражениями от боковых граней (зиг-заг ход). Отмечено, что используемая нами конструкция выходного усилителя с составной апертурой и система ламповой накачки типа "световой котел" в силу своей простоты,-надежности и эффективности может послужить основой для создания лазера с энергией свыше 10-100 кЛж в импульсе 3 не. Глаьа___4. посвящена проблемам Физических ограничений мощности в предагаемых схемах лазеров. Представлены результате модальных экспериментов по изучению мелкомасштабной самофокусировки (ММС) применительно к нашим условиям эксплутапии АО. Указано , что наряду с МНС в активккх элементах происходит рассеяние излучения, связанное с другим нелинейным процессом - так называемым четырехволновым взаимодействием (ЧВБ). На основе представленного анализа сделаны соответствующее опенки.

В Заключении приводятся основные результаты работы :

I.исследована схема мощного высокоэффективного .лазера на неодимовом стекле, в основу которого положены следующие принципы :

а)выходной усилитель и предусилитель работают в двухпроходовом режиме в сочетании с СВФ-эйргалами;

б)в выходном щ'фокоаилертурноы усилителе используется составная апертура, при этом усилитель работа*.г совместно с системой разьедеккя сплошного пучка на отдельные фрагменты и растром 0ВФ- зеркал. За счет ОБФ система разведения при обрат-

ном проходе излучения через нее становится автоматически точной системой сведения пучка;.

в)в выходном усилительном каскаде ВРМБ-зеркала используются в режиме компрессии сьетового импульса.

2.fía основе предложенной схемы был создан компактный лазер со следующими выходными параметрами: выходная энергия-до 20 Дж; tM= 2.5 не; составная апертура обшей площадью -1x4 см8; расходимость - менее Ю'^род-

3. В целях проверки возможности дальнейшего масштабирования предложенной схемы разработана и реализована модификация схемы мощного лазера на неодимовом стекле с выходной энергий до 150 Дж при не, используицего четырехпроходный выходной

усилитель с составной апертурой в виде шести пластинчатых элементов с суммарной выходной апертурой около 100 см2.

4. Экспериментально исследованы выходные характеристики отдельного слэба оконечного усилителя в различной геометрии. Показано, что в случае когда в выходном усилителе используются пластинчатые активные элементы с зиг-заг ходом пучка, выходное излучение отличалось высокой однородностью излучения по поперечному сечению. При этом съем запасенной энергии был выше, чем в случае режима с прямым ходом луча но активному элементу.

5. Экспериментальна определена оптимальная нелинейная среда и геометрия для обеспечения высокой эффективности работы нелинейных зеркал в сфокусированных пучках ири накачке импульсами с энергией 0.5-1.5 Дж. Установлено, что при превышении энергии накачки в одном канале составного нелинейного зеркала свыше 1.5 Дж происходит резкое уменьшение энергии и ухудшение угловых характеристик отраженного излучения за счет оптического пробоя среда.

6. Экспериментально установлено, что основным ограничением плотности выходной энергии на уровне 2 Дж/см3 (в импульсе длительностью 3 не ^рассматриваемых лазеров является ММС, разви-вашаяся при наличии дифракционных возмущений, возникавших при делении исходного пучка на растровой системе. Показано, что в модифицированной схеме лазера с пластичатыми активными элементами . использующими зиг-заг ход пучка , удается уменьшить влияние ММС и повысить плотность выходной энергии до 5 Дж/см2 . Это было достигнуто следующим образом :

1) Расстояние между растровой системой и составным активным элементом, благодаря использованию зиг-заг хода лучей, может быть уменьшено по сравнению с предыдущими схемами примерно в 4 раза. Это приводит к тому, что возмущения, возникавшие за счет дифракции на растровой системе не попадают в область самоФоку сиро вочной неустойчивости.

2) Высокая однородность усиления по поперечному сечению пучка при распространении по активному элементу с зиг-заг ходом лучей по сравнению с прямопроходным режимом обеспечивает сглаживание возмущений , которые могут приводить к развитию и усилению ММС. При исследовании механизмов ограничения выходных параметров лазера экспериментально показано,что наряду с ММС. другой причиной неустойчивости волнового фронта выходного излучения является ЧВВ в активном элементе лазера.

Основные результаты диссертации опубликованы в следувдих работах:

1.В.Н.Блашук, Е.В.Герке, Г.Н.Дынин, А.Р.Сидоров "Исследование обращения волнового фронта при вынужденном рассеянии импульсов свободной генерации миллисекундной длительности".- Квантовая Электроника. 1990, т. 17, с. 329-331.

2. B.II. Белоусов, A.M. Мамин, Ю.К. Пизиенко, А.Р. Сидоров. "Лазер с синтезированной апертурой, обращением волнового фронта и компрессией излучения." - Тезка; XIV международной конференции КИНО*91, т.З, (PFC 12). с. 146.

3. В.II. Белоусов, A.M. Мамин, Ю.К. Низиекко. А.Р. Сидоров. "Лазер с синтезированной апертурой, обращением волнового Фронта и компрескей излучения." - Известия РАН. сер. Физ.,-1992, т. 56. с. IÜG-I89.

4. В.Н. Белоусов, A.M. Мамин. Ю.К. Нкзиенко, А.Р. Сидоров. "Лазер для лкдаркой диагностики плазмы."- Тезисы VI совещания по диа!'ностике высокотемпературной плазмы, С.-Петербург, 26.6 -I.6/1993, с. 37.

5. В.Н. Белоусов, A.M. Мамин, Ю.К. Низиекко. А.Р. Сидоров. "Мощный лазер с составной апертурой. ОВФ-зеркалами и ком]; ре с -сорами световых импульсов." - Известия РАЛ, сер. Фкз., 1994. т. 58, с. 9-12..

6. В.Н. Белоусов, A.M. Мамин, Ю.К. Низиекко, А.Р. Сидоров.

♦

"Лазер для лидарной диагностики плазмы."- Физика плазмы, 1994, ч.2о , C.S4-SS .

Подписано в печать . Формат 60 х 90 / 16. Бумага ллсчоя

№ I. Печать офсетная. Усл. печ.л. 1.0. Тлра-к 100 экз. Заказ $ Бесплатно. Ротапринт М5ТИ.

141700 г. Долгопрудный, Московской обл. Институтски пер.9.