Особенности системы стретчер-компрессор для параметрических усилителей чирпированных импульсов с преобразованием частоты тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.21 ВАК РФ



На правах рукописи

ЯКОВЛЕВ Иван Владимирович

ОСОБЕННОСТИ СИСТЕМЫ СТРЕТЧЕР-КОМПРЕССОР ДЛЯ ПАРАМЕТРИЧЕСКИХ УСИЛИТЕЛЕЙ ЧИРПИРОВАННЫХ ИМПУЛЬСОВ С ПРЕОБРАЗОВАНИЕМ ЧАСТОТЫ

01.04.21 - лазерная физика

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Автореферат

1« МАР 2013

005050472

Нижний Новгород, 2013

005050472

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институт прикладной физики Российской академии наук (г. Нижний Новгород)

Научный руководитель: доктор физико-математических наук,

член-корреспондент РАН, Хазанов Ефим Аркадьевич

Официальные оппоненты: Степанов Андрей Николаевич, доктор физико-

математических наук, ФГБУН Институт прикладной физики РАН, зав. лабораторией;

Защита состоится «11» марта 2013 г. в 15 часов на заседании диссертационного совета Д 002.069.02 при ФГБУН Институт прикладной физики РАН (603950, г. Н. Новгород, ГСП-120, ул. Ульянова, 46)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института прикладной физики РАН.

Автореферат разослан « ^ ^ » 2013 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета,

доктор физчко-математических наук,

Трунов Владимир Иванович, кандидат физико-математических наук, Институт лазерной физики Сибирского Отделения РАН, ведущий научный сотрудник.

Ведущая организация: Объединенный институт

высоких температур РАН

профессор

Ю.В. Чугунов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы

В последние годы большое внимание уделяется созданию сверхмощных лазерных источников. Их использование в фундаментальных и прикладных научных исследованиях, в технике, для промышленных и медицинских приложений открывает новые перспективы. Исследование свойств материи, находящейся в экстремальном состоянии, ускорение заряженных частиц, лазерный термоядерный синтез, протонная терапия - вот далеко не полный перечень актуальных задач, решение которых возможно с помощью лазерных систем, пиковая мощность которых превышает петаватт.

Лазерные источники импульсного излучения тераваттного, а тем более петаваттного уровня мощности основаны на методе усиления чирпированных импульсов (chirped pulse amplification - CPA) [1]. Основная идея CPA метода состоит в усилении предварительно растянутого во времени сверхкороткого импульса и последующем его сжатии до первоначальной длительности. Растяжение уменьшает пиковую мощность импульса на порядки, что позволяет пропускать его через усиливающую среду без повреждения ее световым полем.

Одними из основных элементов CPA системы являются стретчер и компрессор. Контролируемое растяжение и сжатие (рекомпрессия) сверхкоротких импульсов осуществляется в результате их чирпирования (фазовой модуляции) благодаря дисперсии этих оптических устройств. Наибольшее распространение получили стретчеры и компрессоры, основанные на дифракционных решетках [2, 3], поскольку решетки обладают рекордно большой дисперсией и способны обеспечить максимальные коэффициенты растяжения - сжатия.

Характеристики рекомпрессированного импульса - длительность, контраст, наличие сателлитов — зависят от согласования стретчера и компрессора в различных порядках дисперсии фазового набега. Таким образом, проблема согласования дисперсионных характеристик этих устройств является основной при создании лазерных CPA систем [4, 5]. Эта задача тесно связана с задачей повышения точности юстировки взаимного положения решеток [6-8], ответственной за пространственно-времешгые характеристики фемтосекунд-ных импульсов. Разработка оригинальных схем согласованных стретчеров и компрессоров [9-12], а также создание методик их точной настройки и юстировки [13-15] позволяет продвигаться к недоступным ранее мощностям лазерного излучения. Предложенные в диссертационной работе методы перспективны для настройки действующих и строящихся петаваттных и мульти-петаваттных CPA и ОРСРА лазерных систем, в том числе использующих в компрессоре составные (мозаичные, черепичные) решетки.

В 2001 году в ИПФ РАН совместно с РФЯЦ-ВНИИЭФ были начаты работы по созданию первой в России петаваттиой лазерной системы. Была раз-

работана оригинальная лазерная система [16], основанная на параметрическом усилении чирпированных импульсов (optical parametric chirped pulse amplification, ОРСРА) [17, 18] с преобразованием частоты в нелинейном кристалле DKDP. Ее принципиальное отличие от традиционных ОРСРА систем состоит в том, что в первый каскад усиления инжектируется стретчированное излучение на одной длине волны, а в последующие каскады и компрессор направляется излучение с сопряженной длиной волны, рожденное за счет трехволнового взаимодействия в первом каскаде. Представленные в настоящей диссертационной работе результаты были получены при проектировании, создании и юстировке стретчеров и компрессоров для тераваттиого, суб-петаваттного и петаваттного лазерных комплексов PEARL и ФЕМТА в ИПФ РАН и РФЯЦ-ВНИИЭФ.

Цель работы

Цель настоящей работы заключается в теоретическом и экспериментальном исследовании системы стретчер-компрессор для сверхмощных лазерных систем, основанных на методе параметрического усиления чирпированных импульсов с преобразованием частоты. В частности:

1. Исследование условий согласования дисперсионных характеристик стретчера и компрессора в схеме ОРСРА с преобразованием частоты,

2. Создание для схемы ОРСРА с преобразованием частоты стретчера, согласованного "по дисперсионным характеристикам со стандартным компрессором,

3. Разработка методик настройки и юстировки стретчера и компрессоров для минимизации длительности выходных импульсов лазерной системы,

4. Создание компрессоров чирпированных импульсов для тераваттиого, субпетаваттного и петаваттного уровней пиковой мощности излучения.

Научная новизна н практическая значимость работы

С точки зрения согласования дисперсионных характеристик стретчера и компрессора исследована оригинальная, ранее не использовавшаяся схема параметрического усиления чирпированных импульсов с преобразованием частоты. В основе этой схемы лежит широкополосное преобразование инжектируемого излучения с частотой ю2 в сопряженное излучение с частотой соь которое затем компрессируется. В работе получены соответствующие условия согласования, принципиально отличающиеся от традиционных условий для классических ОРСРА систем.

Для ОРСРА лазерной системы с преобразованием частоты рассчитан и создан оригинальный гибридный призмеино-решеточный стретчер, дисперсионные характеристики которого согласованы с характеристиками традиционного компрессора до четвертого порядка дисперсии включительно. Показано теоретически и подтверждено экспериментально, что относительным

положением призм можно осуществлять практически независимую регулировку второго, третьего и четвертого порядков дисперсии гибридного стрет-чера.

Разработаны оригинальные методики юстировки двухрешеточного и че-тырехрешеточного компрессоров сверхмощных оптических импульсов, позволяющие с секундной точностью выполнять дистанционную настройку относительного положения дифракционных решеток по трем угловым степеням свободы, оперативно контролировать точность прохождения по компрессору сигнального излучения.

Впервые экспериментально продемонстрировано, что применение в многокаскадной схеме ОРСРА с преобразованием частоты призменно-решеточного стретчера и согласованного с ним компрессора позволяет растягивать сверхкороткие импульсы излучения с центральной длиной волны 1250 нм, а затем сжимать усиленные импульсы на сопряженной длине волны 910 нм до длительности, близкой к исходной.

В 2004 году на оригинальной созданной в ИПФ РАН лазерной ОРСРА системе с призменно-решеточным стретчером и согласованным с ним компрессором была получена тераваттная мощность излучения. В 2005 году за счет добавления каскада усиления и перехода от однорешеточного компрессора к двухрешеточному был преодолен рубеж пиковой мощности в 100 ТВт, а концу 2006 года на лазерном комплексе, получившим название PEARL (РЕ-tawatt pARametric Laser), были получены импульсы с пиковой мощностью до

0.56.ПВт. В 2008 году в РФЯЦ-ВНИИЭФ совместно с ИПФ РАН был запущен лазерный комплекс петаваттного уровня мощности ФЕМТА, построенный на принципе ОРСРА с преобразованием частоты и с использованием че-тырехрешеточного компрессора, на котором были получены импульсы длительностью 70 фс с мощностью 1 ПВт, что является мировым рекордом для систем параметрического усиления чирпированных импульсов.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Условия согласования дисперсионных характеристик стретчера и компрессора при инжекции широкополосного излучения с частотой ю2 в параметрический усилитель чирпированных импульсов, преобразующий излучение в сопряженное с частотой соь которое затем компрессируется, следующие: дисперсии четных порядков этих устройств должны быть равны по величине и знаку, в то время как дисперсии нечетных порядков должны быть равны по абсолютной величине, но иметь противоположный знак.

2. В схеме параметрического усиления чирпированных импульсов с инжек-цией холостой (сигнальной) волны и компрессией сигнальной (холостой) волны оригинальный гибридный стретчер, основанный на параллельных дифракционных решетках с расположенными между ними двумя призмами с одинаковыми углами при вершинах, позволяет согласовать дис-

персионные характеристики стретчера и компрессора до четвертого порядка дисперсии включительно.

3. Оригинальная конструкция блока крепления и юстировки дифракционной решетки, включающая расположенный над решеткой стеклянный оптический кубик с попарно параллельными противоположными полированными гранями, позволяет с помощью автоколлиматора настраивать рабочую плоскость и направление штрихов решетки параллельно вертикальной оси ее вращения с точностью до единиц угловых секунд.

4. Оригинальные методики юстировки двухрешеточного и четырехреше-точного компрессоров оптических импульсов, основанные на применении специально разработанных оптических схем настройки и диагностики с системой стационарных и вбрасываемых зеркал, на выборе длин волн котировочного излучения, а также на использовании оригинального блока юстировки дифракционной решетки, позволяют с секундной точностью выполнять дистанционную настройку относительного положения дифракционных решеток и направления их штрихов, устанавливать заданную величину угла падения излучения на первую решетку компрессора, оперативно контролировать точность прохождения по компрессору сигнального излучения.

5. Применение в многокаскадной схеме параметрического усиления чирпи-рованных импульсов оригинального гибридного призменно-решеточного стретчера и согласованного с ним по порядкам дисперсии спектральной фазы традиционного компрессора позволяет растягивать фемтосекунд-ные импульсы излучения с центральной длиной волны 1250 нм, а затем сжимать усиленные импульсы на сопряженной длине волны 910 нм до длительности, близкой к исходной. Использование двухпроходного двухрешеточного компрессора позволяет получать в лазерном комплексе PEARL импульсы излучения длительностью 43 фс с мощностью более 0.5 ПВт, а четьтрехрешеточного компрессора в лазерном комплексе ФЕМТА - импульсы длительностью 70 фс с мощностью 1 ПВт, что является мировым рекордом для систем параметрического усиления чирпиро-ванных импульсов.

Апробация результатов

Материалы диссертации опубликованы в семи статьях в рецензируемых журналах [А1-А7]. Результаты докладывались на многочисленных международных конференциях и опубликованы в трудах и тезисах этих конференций: Photonics West (2002, 2006), International Quantum Electronics Conference, IQEC (2002, 2004), Conference on Lasers and Electro-Optics, CLEO (2002, 2004, 2005, 2006), Conference on Laser Optics (2003, 2006), Russian-French Laser Symposium, RFLS (2003, 2005), International Symposium on Topical Problems of Nonlinear Wavc Physics, NWP (2003, 2005, 2008), International Symposium on Modern Problems of Laser Physics, MPLP (2004), Advanced Solid-State

Photonics, ASSP (2004, 2006), Frontiers of Nonlinear Physics, FNP (2004, 2007), International Conference on Advanced Laser Technologies, ALT (2005), Russian-German Laser Symposium, RGLS (2005), International Conference on High Power Laser Beams, HPLB (2006), ICO Topical Meeting on Optoinformatics/Information Photonics (2006), International Conference on Ultra Intense Laser Interaction Sciences, ULIS (2007), Международная конференция X Харитоновские тематические научные чтения (2008), International Conference on Ultrahigh Intensity Lasers (2008), CLEO Europe (2007, 2009), International Conference on Coherent and Nonlinear Optics, ICONO (2005, 2007, 2010), International Conference on Lasers, Applications, and Technologies, LAT (2005,2010).

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из Введения, двух Глав, Заключения и списка литературы. Объем работы составляет 121 страницу, которые содержат 68 рисунков, 1 таблицу, 169 ссылок.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении представлен обзор состояния и достижений в лазерной фем-тосекундной технике до и после начала активного применения метода усиления чирпированных импульсов с использованием согласованных по порядкам дисперсии стретчеров и компрессоров на дифракционных решетках. Показана ключевая роль дисперсии фазы и необходимость ее компенсации для получения минимальной длительности сверхкоротких импульсов. Определены цель и задачи диссертационной работы, обоснована актуальность темы исследований, представлены основные положения, выносимые на защиту, приведены данные по апробации и публикациям включенных в диссертационную работу материалов.

Первая глава посвящена исследованию схемы ОРСРА с преобразованием частоты с точки зрения согласования дисперсионных характеристик стретчера и компрессора, а также созданию для нее оригинального гибридного призменно-решеточного стретчера сверхкоротких импульсов.

В схеме ОРСРА с преобразованием частоты, как и в традиционных ОРСРА системах, в первый каскад параметрического усилителя одновременно с узкополосным излучением накачки с частотой со3 инжектируется широкополосное прошедшее стретчер излучение фемтосекундного задающего генератора с частотой ü>2- Однако в последующие усилительные каскады направляется излучение, рожденное в процессе трехволнового взаимодействия в нелинейном кристалле первого каскада и имеющее сопряженную по накачке частоту: со, = со3 - са2. Таким образом, в рассматриваемой лазерной системе в стретчере и компрессоре растягиваются и сжимаются во времени импульсы с различными центральными частотами (длинами волн).

Параграф § 1.1. посвящен исследованию условий согласования стретчера и компрессора по порядкам дисперсии фазы. Показана роль дисперсии спектральной фазы и ее влияние на форму и длительность лазерного импульса. Аналитически получены условия согласования фаз стрстчера и компрессора в схеме ОРСРА с преобразованием частоты, принципиально отличающиеся от условий для традиционных CPA и ОРСРА систем.

В силу выполнения условий фазового синхронизма при параметрическом широкополосном усилении в нелинейном кристалле из укороченных уравнений для трехволиового взаимодействия следует соотношение между фазами сигнального Ф] и холостого Ф2 (инжектируемого) излучений:

Ф,(ш10 + Q) + Ф2(кьо - = const, (1)

где сою и сом - центральные частоты сигнального и холостого излучений, Q -отстройка частоты от центральной.

Пренебрегая фазовыми добавками в материале параметрического усилителя можно показать, что результирующая фаза усиленного сигнального импульса на выходе из компрессора будет иметь вид:

Osig(fi) = - Os„(-Q) + Фсот(П). (2)

Из выражения (2) следует, что для рекомпрессин импульса до первоначальной длительности (Osig(iT2) 0) необходимо, чтобы дисперсии четных порядков стретчера {sir) и компрессора (сот) были равны, а дисперсии нечетных порядков — равны по величине, но имели противоположные знаки:

ф(2> = ф(2) Ф(3) = Ф(3) фН) = ,у'4) /тч

^ str com. яг--com, Ч' Яг Ф com. И Т.Д., (Л)

где дисперсионные коэффициенты ф(,; _ ®

,1 = 0, 1,2,

da1

<У0

Соотношения (3) являются искомыми условиями согласования стретчера и компрессора в схеме ОРСРА с преобразованием частоты.

Проведенные расчеты показали, что условиям (3) можно удовлетворить, если в качестве стретчера применить аналогичную компрессору систему на параллельных дифракционных решетках с отрицательной квадратичной дисперсией, в которую установлены две призмы с одинаковыми углами при вершинах.

В параграфе § 1.2. представлен анализ основных элементов ОРСРА системы (см. Рис. 1) и их характеристик, необходимых для расчета стретчера.

В качестве фемтосекундного задающего генератора был использован лазер на активном элементе хром-форстерит (Cr:Forsterite) с длиной волны генерации 1.25 мкм. Лазер обеспечивал последовательность сверхкоротких импульсов длительностью от 38 фс с частотой следования 77 МГц и средней мощностью 200 мВт. Энергия лазерных импульсов составляла величину порядка 2.5 нДж.

При расчетах в качестве полной ширины пропускания стретчера и компрессора была выбрана ширина спектра гауссова импульса с длиной волны 1250 нм длительностью 37 фс, измеренного по уровню ехр(-4): 150 им или в

не зависящих от длины волны единицах измерения Л\'=1000см Эта величина определяла размеры решеток, призм и других элементов стретчера и компрессора.

Синхронизации

лазер >.=1054 пш

Стретчер '

Формирователь импульса

усилитель

'Нпш

Рис. 1. Принципиальная схема ОРСРА системы с преобразованием частоты

Согласно проведенным оценкам, оптимальная длительность сигнального импульса в параметрическом усилителе должна была быть порядка 0.5 не по полувысоте. При этом может быть достигнута эффективная перекачка более 20% энергии импульса накачки длительностью 1.2 не в энергию усиливаемого импульса. Таким образом, коэффициент растяжения импульса в стретчере, а, следовательно, и коэффициент сжатия импульса в компрессоре должен составлять величину порядка 15000.

В параграфе § 1.3. приводятся результаты расчета оригинального гибридного призменно-решеточного стретчера, который выполнялся на основе законов геометрической оптики и закона отражена пучков от дифракционных решеток. Рассчитывался ход лучей на разных длинах волн, и численно определялись фаза импульса и ее производные. Для уменьшения количества решеток с двух до одной и облегчения задачи взаимной настройки элементов была выбрана однорешеточная двухпроходпая схема построения стретчера (см. Рис. 2).

Роль первой и второй решеток выполняет одна решетка достаточно большого размера. Прошедшие через усеченную призму 1 лучи заворачиваются к призме 2 уголковым отражателем 3, состоящим из двух ортогонально расположенных плоских зеркал. Вертикальный уголковый отражатель 4, также состоящий из двух ортогональных зеркал, направляет пучок в обратном направлении, однако меняет высоту пучка над оптическим столом.

В отличие от компрессора у гибридного призменно-решеточного стретчера три свободных параметра. Для заданной плотности штрихов решеток и фиксированного угла призмы, к углу падения луча на решетку и дистанции между решетками добавляется расстояние между призмами. Благодаря этому дисперсионные характеристики созданного стретчера были согласованы с характеристиками традиционного компрессора на параллельных дифракционных решетках до четвертого порядка дисперсии включительно.

Вход Решетка

Рис. 2. Схема гибридного призменно-решеточного стретчера

В параграфе § 1.4. представлена методика настройки системы стретчер-компрессор, основанная на настроечных кривых - зависимостях дисперсий третьего, четвертого и пятого порядков от дисперсии второго порядка. Было исследовано влияние изменения положения элементов призменно - решеточного компрессора на дисперсионные характеристики системы стретчер -компрессор. Рассчитанные численно настроечные кривые для стретчера представлены на рисунке 3.

Центральная стартовая точка - это расчетная точка наилучшего фазового согласования стретчера и компрессора, соответствующая точному совпадению дисперсий второго, третьего и четвертого порядков стретчера и компрессора. Цифрами на рисунке 3 обозначены перестроечные кривые, соответствующие сдвигу решетки в направлении, перпендикулярном рабочей поверхности на ± 0.1 см (кривая 1), сдвигу малой призмы вдоль нормали к решетке на ±0.1 см (кривая 2) и вдоль рабочей поверхности на ± 0.2 см (кривая 3),

а также изменению угла падения излучения на решетку на ± 10 угловых минут (кривая 4).

Видно, что у етретчера есть регулировки, существенно влияющие только на выделенные порядки дисперсии, и, таким образом, можно подобрать алгоритм независимого управления дисперсиями системы стретчер - компрессор для ее точной настройки. Например, сдвиг малой призмы в направлении вдоль нормали к решетке (кривая 2 на Рис. 3) влияет преимущественно на третий порядок дисперсии етретчера, практически не оказывая влияния на второй, четвертый и пятый порядки.

Сдвиг малой призмы вдоль поверхности решетки (кривая 3) приводит к существенному изменению только второго и четвертого порядков дисперсии етретчера. Если из рабочей точки двигаться вдоль пунктирной линии вдоль кривых 4, 3 и 2, то дисперсии второго и третьего порядков останутся без изменений, в то время как дисперсия четвертого порядка существенно изменится, и, таким образом, ей можно независимо управлять.

Вторая глава посвящена расчету, созданию и методике настройки компрессоров чирпированных импульсов. По мере наращивания энергии чирпи-рованных импульсов за счет добавления новых каскадов усиления и соответствующего увеличения диаметра пучка возникала потребность в создании компрессоров, рассчитанных на большую пиковую мощность лазерного излучения, вплоть до петаваттных значений мощности ОРСРА системы. При этом существенно повышались требования к точности угловых настроек решеток компрессора.

Параграф § 2.1. посвящен созданию однорешеточного компрессора для излучения с центральной длиной волны 911 нм тераваттного уровня мощности. На этой системе были экспериментально продемонстрированы возможности согласован™ гибридного етретчера и компрессора.

В разделе 2.1.1. оптимизируется схема и обосновываются выбранные параметры однорешеточного компрессора.

Компрессор был создан на базе голографической покрытой золотом дифракционной решетки с плотностью 1200 штрихов/мм. Угол падения входного излучения на решетку составлял 43.13°. При этом угле и эффективном расстоянии между решетками 133.75 см компрессор, согласно расчетам, обеспечивает сжатие гауссова 0.5 не импульса до 37 фс. Благодаря уголковым отражателям - ортогонально расположенным плоским зеркалам схема компрессора получилась компактной, а также существенно облегчилась задача настройки его элементов. В результате, как представлено в разделе 2.1.2., были получены гераваттные импульсы длительностью до 50 фс с частотой повторения 1-2 Гц.

Параграф § 2.2. посвящен созданию двухрешеточного компрессора для уникального лазерного комплекса PEARL, рассчитанного на субпетаваттную мощность излучения. При энергии импульсов накачки 180 Дж энергия чир-пированного импульса сигнального излучения перед компрессором составля-

ла 35 Дж. Для сжатия этого излучения до фемтосекундных длительностей был создан двухрешеточный компрессор, собранный по двухгтроходной схеме и размещенный в специальной вакуумной камере.

В разделе 2.2.1. представлена схема и основные параметры двухрешеточ-ного компрессора, рассчитанного для прохождения пучка диаметром 100 мм. Для согласования с призменно-решеточным стретчером углы падения излучения на решетки и база компрессора были сохранены. Размеры рабочих поверхностей первой и второй решеток были, соответственно, 200х240 мм2 и 350x240 мм2, штрихи располагались вдоль грани длиной 240 мм.

Раздел 2.2.2. посвящен разработке оригинальной конструкции блока крепления и юстировки дифракционной решетки субпетаваттного компрессора (см. Рис. 4). В нижней части блока было размещено моторизованное поворотное устройство, благодаря которому решетка имела возможность при открученных стопорных винтах вращаться вручную вокруг вертикальной оси на 360°, а при фиксированных винтах - с помощью шагового двигателя поворачиваться в пределах угла 12° с точностью 6 угловых секунд без редуктора и доли секунды - с редуктором.

На поворотной платформе на оптическом столике располагалась решетка. в оправе. Сверху на оправе решетки на дополнительном столике устанавливался стеклянный настроечный кубик. Противоположные полированные грани кубика были попарно параллельными с секундной точностью.

Настройка оси автоколлиматора перпендикулярно оси вращения поворотного устройства блока решетки выполнялась аналогично процедуре определения непараллельности осей вращения алидады и столика с лимбом гониометра. Итерационная процедура: поворот блока решетки на 180°, подстройка автоколлиматора и кубика на половинные углы позволяет иастраи-

вать ось автоколлиматора строго перпендикулярно к оси вращения блока решетки, а также к использованным для юстировки граням кубика. Затем автоколлиматор устанавливался в положение, при котором одновременно наблюдались изображения сет ки от кубика и решетки, и рабочая плоскость решетки настраивалась параллельно оси вращения.

Для настройки направления штрихов параллельно оси вращения поворотного устройства решетка поочередно наблюдалась в автоколлиматор с двух ракурсов: нормально к рабочей поверхности решетки и под углом Лит-трова. В последнем случае изображение автоколлимационной сетки было спектрально окрашенным и представляло собой тонкую цветную линию, перпендикулярную направлению штрихов. Поворот решетки относительно оси, перпендикулярной к рабочей поверхности, позволял устанавливать штрихи решетки параллельно оси ее вращения.

Представленная в разделе методика настройки решетки по трем вращательным степеням свободы была положена в основу точной юстировки компрессоров сверхмощного излучения, созданных и исследованных в диссертационной работе.

Рис. 5. Настройка положения большой дифракционной решетки компрессора.

МР - малая (первая) решетка, БР - большая (вторая) решетка

В разделе 2.2.3. описана оригинальная методика настройки двухрешеточ-ного компрессора, позволившая получить на выходе пиковую мощность импульсов излучения 0.56 ГГВт при длительности 43 фс.

В частности, для настройки большой решетки компрессора малая решетка устанавливалась к входному пучку излучения с длиной волны 911 нм под углом Литтрова (см. Рис. 5). Затем под тем же углом запускалось излучение Не-№ лазера. Пучок этого излучения отражался в первый порядок дифракции

БР

под углом 12.3° к нормали к малой решетке. Известно, что угол Литтрова для длины волны излучения 0.63 мкм для решетки с плотностью штрихов 1200 штрихов/мм составляет 22.3°. Таким образом, настройка большой решетки в положение, когда излучение He-Ne лазера отражается точно назад, соответствует ее рабочему положению. С учетом известных длин волн излучения можно с секундной точностью рассчитать углы поворота решеток.

Параграф § 2.3 завершает главу, посвященную созданию компрессоров. В нем представлены результаты, полученные при выполнении совместного проекта ИПФ РАН и РФЯЦ-ВНИИЭФ по созданию петаваттного лазерного комплекса ФЕМТА.

Оконечный, четвертый, каскад параметрического усилителя комплекса ФЕМТА был основан на нелинейном кристалле DKDP с чистой апертурой более 20x20 см2. Для накачки усилителя использовалась вторая гармоника излучения лазерной системы «Луч». Энергия импульсов накачки достигала 1 кДж, длительность импульсов составляла 2.3 не. При этом энергия чирпи-рованного импульса сигнального излучения на входе в компрессор достигала 100 Дж в пучке с размерами 18><18 см2.

В разделе 2.3.1. представлена схема компрессора для пучка диаметром до 200 мм, расположенного в вакуумной камере длиной более 5 м и диаметром 1 м. Компрессор был основан на четырех габаритных позолоченных дифракционных решетках, изготовленных голографическим методом.

В отличие от рассмотренных в предыдущих параграфах схем тераваттно-го и субпетаваттного компрессоров, излучение в этой схеме идет в одном ярусе - в одной горизонтальной плоскости. В то же время углы падения пучков на решетки и база были такие же, как и у субпетаваттного компрессора, что позволяло использовать призменно-решеточный стретчер с известными настройками.

В разделе 2.3.2. представлена оригинальная методика настройки и юстировки петаваттного компрессора, а также экспериментальные результаты.

Для корректной настройки компрессора была разработана специальная методика. Для ее реализации была спроектирована оптическая схема, состоящая из нескольких частей. На рисунке 6 представлена часть, предназначенная для контроля прохождения пучка сигнального излучения по компрессору.

Точная настройка положения решетки Р-2 осуществлялась с помощью вбрасываемого зеркала ВЗ-1. В качестве юстировочного использовалось излучение диодного лазера с длиной волны генерации 910 им.

Через фланцы вакуумной камеры компрессора со стеклянными окнами зеркало ВЗ-1 и решетка Р-1 могли наблюдаться под двумя углами. Через окно косого фланца с помощью автоколлиматора АК плоскость зеркала устанавливалась параллельно плоскости решетки с точностью ~3". После этого на CCD камере зрительной трубы ЗТ-1 наблюдались два репера - изображения дальних зон двух пучков: падающего на первую решетку и отраженного от второй решетки.

АК ^ 3,1

Рис. 6. Схема для юстировки угловых настроек решетки Р-2

Совмещение реперов или направлений входного и выходного пучков первой пары решеток при условии перпендикулярности вертикальных осей вращения к направлению пучков, а также равенства плотности штрихов решеток, однозначно означает параллельность плоскостей и штрихов решеток Р-1 и Р-2. Таким образом, с помощью разработанного алгоритма настройки вторая решетка устанавливалась в рабочее положение. Аналогичным образом настраивались остальные решетки компрессора.

Окончательная настройка выполнялась с использованием широкополосного излучения. Основными задачами настройки являлись: коллимирован-ность пучка на выходе компрессора, отсутствие угловой дисперсии и, главное, минимальная длительность скомпрессированных импульсов. В результате на созданном лазерном комплексе ФЕМТА были получены импульсы длительностью 70 фс с пиковой мощностью 1 ПВт, что является мировым рекордом для систем параметрического усиления чирпированных импульсов.

В Заключении приводится перечень основных результатов, полученных в диссертационной работе.

1. Получены условия согласования дисперсионных характеристик стретчера и компрессора для схемы параметрического усиления чирпированных импульсов с широкополосным преобразованием инжектируемого излучения с частотой со2 в сопряженное излучение с частотой соь которое затем компрессируется. Эти условия существенно отличаются от классических: дисперсии четных порядков стретчера и компрессора должны быть равны по величине и знаку, в то время как дисперсии нечетных порядков должны быть равны по абсолютной величине, но иметь противоположный знак.

2. Создан оригинальный гибридный стретчер, основанный на параллельных дифракционных решетках с расположенными между ними двумя призмами с одинаковыми углами при вершинах. Дисперсионные характери-

Основные результаты диссертационной работы

стики стретчера согласованы с характеристиками традиционного компрессора до четвертого порядка дисперсии включительно для схемы параметрического усиления чирпированных импульсов, когда в параметрический усилитель инжектируется холостая (сигнальная), а в компрессор направляется сигнальная (холостая) волна. Показано теоретически и подтверждено экспериментально, что относительным положением призм можно осуществлять практически независимую регулировку второго, третьего и четвертого порядков дисперсии гибридного призменно-решеточного стретчера.

3. Разработана оригинальная конструкция блока крепления и юстировки дифракционной решетки, включающая расположенный над решеткой стеклянный оптический кубик с попарно параллельными противоположными полированными гранями, которая позволяет с помощью автоколлиматора настраивать рабочую плоскость и направление штрихов решетки параллельно вертикальной оси ее вращения с точностью до единиц угловых секунд. Показано, что за счет цифровой обработки изображения автоколлимационной сетки точность юстировки дифракционных решеток компрессора может быть улучшена более чем на порядок.

4. Созданы оригинальные методики юстировки двухрешеточного и четы-рехрешеточного компрессоров оптических импульсов, основанные на применении специально разработанных оптических схем настройки и диагностики с системой стационарных и вбрасываемых зеркал, на выборе длин волн юстировочного излучения, а также на использовании оригинального блока юстировки дифракционной решетки, которые позволяют с секундной точностью выполнять дистанционную настройку относительного положения дифракционных решеток и направления их штрихов, устанавливать заданную величину угла падения излучения на первую решетку компрессора, оперативно контролировать точность прохождения по компрессору сигнального излучения.

5. Экспериментально продемонстрировано, что применение в многокаскадной схеме параметрического усиления чирпированных импульсов оригинального гибридного призменно-решеточного стретчера и согласованного с ним по порядкам дисперсии спектральной фазы традиционного компрессора позволяет растягивать 37 фс импульсы излучения задающего генератора с центральной длиной волны 1250 нм до длительности 0.5 не, а затем сжимать усиленные импульсы на сопряженной длине волны 910 нм до длительности, близкой к исходной. При использовании двух-проходного двухрешеточного компрессора в лазерном комплексе PEARL получены импульсы излучения длительностью 43 фс с мощностью более 0.5 ПВт, а использование четырехрешеточного компрессора в лазерном комплексе ФЕМТА позволило получить импульсы длительностью 70 фс с мощностью 1 ПВт, что является мировым рекордом для систем параметрического усиления чирпированных импульсов.

Литература

1. Strickland D., Mourou G. Compression of amplified chirped optical pulses // Optics Communications, v.56, №3, p.219-221, 1985.

2. Treacy E.B. Optical pulse compression with diffraction gratings // IEEE Journal of Quantum Electronics, v.QE-5, p.454-458, 1969.

3. Martinez O.E. 3000 Times Grating Compressor with Positive Group Velocity Dispersion: Application to Fiber Compensation in 1. 3-1. 6 um Region // IEEE Journal of Quantum Electronics, v.QE-23, №1, p.59-64, 1987.

4. Lemoff В.Ё., Barty C.P.J. Quintic-phase-limited, spatially uniform expansion and recompression of ultrashort optical pulses // Optics Letters, v.18, №19, p.1651-1653, 1993.

5. JtataniJ., Nabekawa Y, Kondo K„ Watanabe S. Generation of 13-TW, 26-fs pulses in a Ti:sapphire laser// Optics Communications, v. 134, .№1 -6, p.134-138, 1997.

6. Osvay K., Ross I.N. On a pulse compressor with gratings having arbitrary orientation // Optics Communications, v. 105, №3-4, p.271-278, 1994.

7. Fiorini C„ Sauteret C„ Rouyer C„ Blanchot N.. Seznec S„ Migus A. Temporal aberrations due to misalignments of a stretcher-compressor system and compensation // IEEE J Quantum Electron, v.30, №7, p. 1662-1670, 1994.

8. Liu F„ Liu X., Wang Z„ Ma J., Zhang L„ Wang J., Wang S., Lin X., Li >'., Chen L, Wei Z, Zhang J. Compression grating alignment by far-field monitoring // Applied Physics B: Lasers and Optics, v.101, №3, p.587-591, 2010.

9. White W.E., Patterson F.G., Combs R.L., Price D.F., Shepherd R.L. Compensation of higher-order frequency-dcpendent phase terms in chirped-pulse amplification systems // Opt. Lett., v.18, №16, p.1343-1345, 1993.

10. Rudd J.V., Кот G„ Kane S, Squier J., Mourou G„ Bado P. Chirped-pulse amplification of 55-fs pulses at a 1-kHz repetition rate in a Ti:PAl203 regenerative amplifier// Optics Letters, v.18, №23, p.2044-2046, 1993.

11. Du D„ Squier J., Kane S„ Korn G„ Mourou G„ Bogusch C., Cotton C.T. Terawatt Ti:sapphire laser with a spherical rellective-optic pulse expander // Opt. Lett., v.20, №20, p.2114-2116, 1995.

12. Cheriaux G„ Rousseau P., Salin F., Chambaret J.P., Walker В., Dimauro L.F. Aberration-free stretcher design for ultrashort-pulse amplification // Opt. Lett., v.21, №6, p.414-416, 1996.

13. Collier J.L., Hernandez-Gomez C„ Hawkes S.J., Smith J., Winstone T.B., Danson C.N., Clarke R.J., Neely D., Ziener C„ Strange Т., Frackiewicz A.J. Vulcan Petawatt -Compressor and system commissioning // in Central Laser Facility Annual Report 2002/2003, Rutherford Appleton Laboratory, p. 168-173, 2003.

14. Guardalben M.J. Littrow angle method to remove alignment errors in grating pulse compressors // Applied Optics, v.47, №27, p.4959-4964, 2008.

15. Chvykov V., Yanovsky V. Precise Alignment of Large-Aperture Compressor Gratings for High-Power Lasers by Using Diffraction Interferometry // Proc. of Conference on Lasers and Electro-Optics/International Quantum Electronics Conference. Baltimore, MD, 2009, p.JWB4.

16. Freidman G., Andreev N., Bespalov V., Bredikhin V., Ginzburg V., Katin E., Korytin A., Khazanov E„ Lozhkarev V., Palashov O, Sergeev A., Yakovlev I., Garanin S., Rukavishnikov N.. Sukharev S. Use of KD*P crystals for non-degenerated broadband

optical parametric chirped pulse amplification in petawatt lasers // Proc. of Conference on Lasers and Electro-Optics Long Beach, CA, 19-24 May, 2002, CPDA9-1 -CPDA9-3.

17. Dubietis A., Jonusauskas G., Piskarskas A. Powerful femtosecond pulse generation by chirped and stretched pulse parametric amplification in BBO crystal // Optics Communications, v.88, №4-6, p.437-440, 1992.

18. Ross I.N., Matousek P., Towrie M., Langley A.J., Collier J.L. The prospects for ultrashort pulse duration and ultrahigh intensity using optical parametric chirped pulse amplifiers // Optics Communications, v.144, №1-3, p.125-133, 1997.

Список статей автора по теме диссертации

А1. Андреев Н.Ф., Беспалов В.И., Бредихин В.И., Гаранин С.Г., Гинзбург В.Н., Дворкин К.Л., Катин Е.В., Корытин А.И., Ложкарев В.В., Палашов О.В., Рукавишников ПЛ., Сергеев A.M., Сухарев С.А., Фрейдман Г.И., Хазанов Е.А., Яковлев И.В. Новая схема петаваттного лазера на основе невырожденного параметрического усиления чирпированных импульсов в кристаллах DKDP // Письма в ЖЭТФ, т.79, №4, с. 178-182, 2004.

А2. Lozhkarev V.V., Freidman G.I., Ginzburg V.N., KhazanovE.A., Palashov O.V., Sergeev A.M., Yakovlev I. V. Study of broadband optical parametric chirped pulse amplification in DKDP crystal pumped by the second harmonic of a Nd:YLF laser // Laser Physics, v.15,№9, p.1319-1333, 2005.

A3. Ложкарев В.В., Гаранин С.Г., Герке P.P., Гинзбург В.Н., Катин Е.В., Кирсанов А.В., Лучинин Г.А., Маяыиаков А.Н., Мартьянов М.А., Палашов О.В., Потемкин А.К., Рукавишников Н.Н., Сергеев A.M., Сухарев С.А., Хазанов Е.А., Фрейдман Г.И., Чарухчев А.В., Шайкин А.А., Яковлев И.В. 100 тераваттный фемтосекундный лазер на основе параметрического усиления // Письма в ЖЭТФ, т.82, №4, с. 196199,2005.

А4. Lozhkarev V. У., Freidman G.I., Ginzburg V.N., Katin Е. V., Khazanov Е.А., Kirsanov A.V., Luchinin G.A., Mal'shakov A.N., Martyanov M.A., Palashov O.V., Poteomkin A.K., Sergeev A.M., Shaykin A.A., Yakovlev I.V., Garanin S.G., Sukharev S.A., Rukavishnikov N.N., Charukhchev A.V., Gerke R.R., Yashin V.E. 200 TW 45 fs laser based on optical parametric chirped pulse amplification // Optics Express, v.14, №1, p.446-454, 2006.

A5. Lozhkarev V.V., Freidman G.I., Ginzburg V.N., Katin E.V., Khazanov E.A., Kirsanov A.V., Luchinin G.A., Mal'shakov A.N., Martyanov M.A., Palashov O.V., Poteomkin A.K., Sergeev A.M., Shaykin A.A., Yakovlev I. V. Compact 0.56 petawatt laser system based on optical parametric chirped pulse amplification in KD*P crystals II Laser Physics Letters, v.4, №6, p.421-427,2007.

A6. Фрейдман Г.И., Яковлев И.В. Новая схема стретчера для параметрического усилителя чирпированных импульсов с преобразованием частоты // Квантовая электроника, т.37, №2, с.147-148, 2007.

А7. Яковлев И.В. Особенности настройки компрессора чирпированных импульсов // Квантовая Электроника, т.42, №11, с.996-1001, 2012.

Содержание диссертации

Введение ................................................................................. 3

Глава 1. Создание стретчера импульсов

для ОРСРА с преобразованием частоты ................................ 27

§ 1.1. Условия согласования стретчера и компрессора

по порядкам дисперсии фазы ............................................. 29

§ 1.2. Основные элементы ОРСРА системы ......................;............ 40

§ 1.3. Расчет и создание гибридного

призменно-решеточного стретчера ..................................... 48

§ 1.4. Методика настройки системы стретчер-компрессор .........:...... 52

Глава 2. Расчет, создание и настройка

компрессоров чирпированных импульсов ............................. 58

§ 2.1. Однорешеточный компрессор для излучения

тераваттного уровня мощности ......................................... 60

2.1.1. Схема компрессора на одной

дифракционной решетке ................................................ 60

2.1.2. Настройка компрессора

и его выходные параметры .............................................. 68

§ 2.2. Двухрешеточный компрессор

для мощности излучения 0.5 ПВт .:.................................... 77

2.2.1. Схема вакуумного компрессора

для пучка диаметром 100 мм ............................................! 77

2.2.2. Настройка блока дифракционной решетки ........................... 81

2.2.3. Методика настройки двухрешеточного

компрессора ................................................................ 86

§ 2.3. Четырехрешеточный компрессор для излучения

петаватгного уровня мощности ........................................ 92

2.3.1. Схема вакуумного компрессора

для пучка диаметром 200 мм ............................................ 92

2.3.2. Методика настройки четырехрешеточного

петаватгного компрессора ................................................. 96

Заключение ......................................................................... 109

Литература .......................................................................... 111

Термины и сокращения ......................................................... 121

ЯКОВЛЕВ Иван Владимирович

ОСОБЕННОСТИ СИСТЕМЫ СТРЕ1ЧЕР-КОМПРЕССОР ДЛЯ ПАРАМЕТРИЧЕСКИХ УСИЛИТЕЛЕЙ ЧИРПИРОВАННЫХ ИМПУЛЬСОВ С ПРЕОБРАЗОВАНИЕМ ЧАСТОТЫ

Автореферат

Подписано в печать 21.01.2013. Формат 60 * 90 '/16 Бумага офсетная. Печать офсетная. Усл. исч. л. 1,25. Тираж 100 экз. Заказ № 7(2013)

Отпечатано на ризографе в типографии Института прикладной фи шки РАН, 603950 Н. Новгород, ул. Ульянова, 46