Управление параметрами лазерных драйверов для фотоинжекторов ускорителей электронов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.21 ВАК РФ

На правах рукописи

ГАЧЕВА Екатерина Игоревна

УПРАВЛЕНИЕ ПАРАМЕТРАМИ ЛАЗЕРНЫХ ДРАЙВЕРОВ ДЛЯ ФОТОИНЖЕКТОРОВ УСКОРИТЕЛЕЙ ЭЛЕКТРОНОВ

01.04.21 - лазерная физика

Автореферат

диссертации на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук

005568983

13 ИДЯ 2015

Нижний Новгород - 2015

005568983

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте прикладной физики Российской академии наук (ИПФ РАН), г. Нижний Новгород

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Хазанов Ефим Аркадьевич,

заместитель директора ИПФ РАН, руководитель

Отделения нелинейной динамики и оптики,

заведующий Отделом нелинейной и лазерной

физики, член-корреспондент РАН,

доктор физико-математических наук, профессор

Венедиктов Владимир Юрьевич,

доцент Санкт-Петербургского государственного

электротехнического университета

им. В.И. Ульянова (Ленина),

доктор физико-математических наук

Горбунков Михаил Валериевич, ведущий научный сотрудник Физического института им. Н.П. Лебедева РАН, кандидат физико-математических наук

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное

образовательное учреждение высшего образования

«Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова»

Защита состоится "22" июня 2015 г. в 15:00 на заседании диссертационного совета Д 002.069.02 при Институте прикладной физики РАН (603950, г. Нижний Новгород, ГСП - 120, ул. Ульянова, д. 46).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИПФ РАН. Автореферат разослан "22" апреля 2015 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор физико-математических наук,

профессор

Чугунов Ю.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Фотоинжектор с лазерным драйвером на настоящем этапе развития линейных ускорителей электронов выступает незаменимой альтернативой традиционным термоэмиссионным инжекторам. Благодаря фотоинжектору можно получить электронные пучки, профилированные во времени в виде цугов одинаковых коротких электронных сгустков, с хорошей точностью синхронизованных с высокочастотным (ВЧ) ускоряющем полем. Техника профилирования лазерных импульсов во времени и пространстве значительно опережает технику профилирования электронных пучков непосредственно. Отсюда следует естественное решение облучить подходящий катод профилированным лазерным импульсом и тем самым добиться необходимой формы электронного сгустка автоматически. Электронный пучок, обладающий описанными выше свойствами, имеет яркость на два порядка большую по сравнению с тем, который можно получить с традиционного термоэмиссионного катода, он эффективнее ускоряется и позволяет добиться рекордных параметров в разных типах приложений.

Ускоренный электронный пучок может использоваться, например, в коллайдере. Лазерные драйверы для фотоинжекторов, описанные в главе 2 настоящей работы, были созданы в рамках проекта международного линейного (электрон-позитронного) коллайдера ILC (International Linear Collider) [1]. Два линейных ускорителя, каждый длиной 12 км, на первом этапе будут разгонять встречные пучки до энергии 500 ГэВ. Окончание строительства установки (в Японии) ожидается к середине 2020-х гг. Значимость этого проекта для развития физики элементарных частиц, изучения строения материи и пространства трудно переоценить. Кроме того, в презентации ILC акцентируются многочисленные попутные приложения (от медицины до скоростных вычислений), которые могут преуспеть за счет прогресса технологий, необходимых для осуществления основной программы.

Ещё одна быстро развивающаяся в наши дни область применения электронных пучков с высокой яркостью — лазеры на свободных электронах (ЛСЭ). В них профилированный ускоренный пучок, попадая в ондулятор, излучает направленное когерентное рентгеновское излучение с высокой пиковой мощностью. Экспериментальной основой главы 3 послужила лазерная система, спроектированная и построенная в нашем институте для ЛСЭ European XFEL (X-ray Free Electron Laser) [2]. Проект European XFEL объединяет усилия 12 стран, установка длиной 3,4 км будет расположена на территории Германии, уже в 2017 году планируется открыть её для внешних

пользователей. При помощи этого инструмента станет возможным осуществлять съемку быстрых химических реакций в реальном времени (благодаря короткому импульсу <100 фс), разрешать структуру сложных органических молекул (этому способствует очень маленькая длина волны излучения 0,1 нм), а высокая яркость (5-10~J фотонов/с/мм2/мрад.2/0,1% полосы) позволит использовать European XFEL для экспериментов с состояниями вещества в экстремальных полях.

Прародителем будущего рекордного European XFEL выступил ЛСЭ FLASH [3]. Установка действует с лета 2005 года. За это время с её помощью получены результаты для более чем 200 публикаций, в основном в престижных журналах, по физике, химии, биологии, материаловедешпо, геофизике, медицинской диагностике.

Картина международных исследований, задействующих новейшие фотоинжекторы, безусловно богаче и разнообразнее двух отмеченных выше примеров. Приводя их, автор хотел акцентировать наиболее масштабные и многообещающие по своим параметрам проекты, мотивировавшие представленные работы. Однако уже на этих примерах возможно оценить актуальность создания фотоинжекторных лазерных систем и решения некоторых принципиальных проблем, из-за которых технология лазерных драйверов для фотоинжекторов на настоящий момент не может удовлетворить всем требованиям специалистов по ускорению частиц.

Основные цели работы

Основной целью настоящей работы является исследование и создание лазерных систем (и их частей) для фотоинжекторов линейных ускорителей электронов либо более доступных и универсальных по сравнению с имеющимися аналогами со схожими параметрами, либо лазерных систем с параметрами, никем ранее не продемонстрированными. Эта работа включает в себя уточнение динамики физических процессов и характеризацшо оптических материалов, область применения которых уходит в физику лазеров далеко за пределы фотоинжекторных приложений. Основные цели работы следующие:

1. Разработать и опробовать экспериментально метод усиления прямоугольных цугов импульсов с длительностью, большей времени жизни верхнего лазерного уровня, использующий ламповую накачку, два сдвинутых во времени усилительных каскада и акустооптический модулятор, предкомпенсирующий искажения огибающей цугов.

2. Исследовать влияние центров поглощения, образующихся в нелинейном кристалле ВВО в результате процесса двухфотонного поглощения четвертой либо смешашюго второй и четвертой гармоник, на эффективность генерации четвертой гармоники лазера с длиной волны около 1 мкм.

3. Исследовать искажения квазиэллипсоидального ЗЭ лазерного пучка с размытой границей при его распространении в свободном пространстве. Определить необходимую точность продольного позиционирования элементов оптических схем, предназначенных для передачи изображения такого пучка.

4. Исследовать многопроходное широкополосное усиление в дисковых активных элементах из УЪ:КО\У с непрерывным переносом изображения. Протестировать схему усилителя в виде многопроходного зеркального телескопа Кеплера и определить область её применения в рамках задачи усиления профилированных импульсов с резкой границей.

5. Определить теоретически и проверить экспериментально время задержки между началом прямоугольного импульса накачки и началом цуга лазерных импульсов при усилении цугов без искажения прямоугольной огибающей.

6. Исследовать сечения процессов поглощения и реэмиссии накачки, излучения и реабсорбции сигнала в У^КОХ^' на использующихся длинах волн в модели квазичетырехуровневой активной среды.

7. Показать эффективность метода генерации второй гармонию! широкополосного излучения с угловым чирпом для преобразования в гармоники ЗП профилированных импульсов.

8. Разработать и протестировать способ измерения трехмерной формы профилированного лазерного импульса на протяжении одного цуга импульсов (300 мкс).

Научная новизна

1. Предложен новый метод формирования квазипостоянного на временах, больших времени жизни верхнего лазерного уровня, коэффициента усиления в усилителе с ламповой накачкой. Метод основан на использовании двух стартующих с задержкой усилительных каскадов и волоконного акустооптического модулятора.

2. По итогам исследования динамики индуцированных центров поглощения в кристалле ВВО в процессе генерации четвертой гармоники Ы±УЪР лазера на длительности цуга часто повторяющихся импульсов сделан вывод о времени жизни центров, соизмеримом с 1 мс.

3. Впервые описаны дифракционные искажения при распространении в свободном пространстве 30 квазиэллипсоидального супергауссового лазерного импульса, оптимального с точки зрения минимизации эмипанса инжектируемого с фотокатода электронного пучка.

4. Для усиления без искажения временной огибающей прямоугольных цугов импульсов в усилителе с диодной накачкой получено выражение для времени задержки между началом прямоугольного импульса накачки и

моментом прихода первого импульса на усилитель. Значение, найденное по этой формуле, соответствует экспериментальному с точностью лучше 10%.

5. Предложена и реализована экспериментально схема рекордно быстрого сканирующего кросс-коррелятора, способного измерить пространственно-временное распределение интенсивности ЗБ профилированных лазерных импульсов в окне сканирования 15 пс в течение одного цуга длительностью 300 мкс, с кристаллом ВВО и переменной линией задержки из растягивающегося волокна.

Теоретическая и практическая значимость работы

Практическая значимость настоящей работы состоит в развитии фотоинжекторов с электронным пучком высокой яркости за счет усовершенствования лазерных драйверов. Такие пучки применяются в электрон-позитронных коллайдерах нового поколения и лазерах на свободных электронах. Кроме того, разработки оптических схем, теоретических моделей физических процессов, характеризация акпшных сред и нелинейных кристаллов могут быть использованы при решении разнообразных задач лазерной физики безотносительно их приложения. Так, например, широкое применение могут найпт многопроходные дисковые широкополосные в спектральной и пространственной областях усилители, преобразователи фемтосекундных импульсов во вторую и четвертую гармоники, новая схема сканирующего кросс-корреяятора. На практике полезными будут полученные данные о сечениях переходов в УЬ:КО\У и динамзпее центров поглощения, образующихся в кристалле ВВО при генерации четвертой гармоники.

Методология и методы исследования

В работе использовались апробированные методики исследования. Постановка эксперимента предварялась построением теоретической модели процесса. Измерение физических величин в ходе эксперимента производилось при помощи сертифицированных приборов. Для диагностики фазовых искажений, вносимых в излучение стержневыми активными элементами из кристалла была создана установка по схеме

интерферометра Майкельсона. Восстановление фазового портрета из интерферограммы осуществлялось при помощи программы ГОЕА.

Теоретические результаты основываются на базовых уравнениях, область применения которых была неоднократно исследована в литературе. Для численного моделирования использовался пакет МаЛаЬ. При сравнетга результатов численного моделирования с экспериментальными данными производился анализ возможных источников ошибок и на его основании делались выводы.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Суммарный коэффициент усиления двух лазерных усилителей с ламповой накачкой можно сформировать близким к постоянному на длительности усиливаемого импульса (или цуга импульсов), большей времени жизни верхнего лазерного уровня, подбирая амплитуды и длительности импульсов накачки, а также задержку между ними. В сочетании с акустооптическим модулятором это позволяет на выходе усилителей, даже работающих в насыщении, эффективно управлять формой импульса (или огибающей цуга импульсов), в том числе сформировать прямоугольный импульс (или прямоугольную огибающую цуга импульсов).

2. При преобразовании в четвертую гармонику излучения Кё:УЬГ лазера в кристалле ВВО двухфотонное поглощение излучения четвертой гармоники и смешанное второй и четвертой приводит к образованию центров поглощения с временем жизни больше или порядка 1 мс, в результате чего может поглощаться до 50% энергии падающего на кристалл ВВО импульса второй гармоники.

3. Дифракционные искажения ЗБ эллипсоидального супергауссового пучка в параксиальном приближении качествешю зависят от длины распространения. На небольших длинах распространения поперечная структура сильнее искажается в среднем сечении импульса по времени из-за более резкой пространственной границы, а на больших длинах - на переднем и заднем фронтах импульса из-за меньшего эффективного диаметра пучка.

4. В процессе усиления прямоугольная временная форма лазерного импульса (или прямоугольная огибающая цуга импульсов) сохраняется, если импульс (или цуг импульсов) приходит на усилитель позже начала прямоугольного импульса накачки на время, равное произведению времени жизни верхнего лазерного уровня на логарифм от КПД усилителя.

5. Кросс-коррелятор с кристаллом ВВО и сканирующей линией задержки из растягивающегося во времени оптического волокна (эквивалентная скорость сканирования 16 м/с) позволяют измерить пространственно-временное распределение интенсивности ЗБ импульсов длительностью не более 15 пс в течение одного цуга длительностью 300 мкс.

Степень достоверности и апробация результатов работы

Проектирование лазерной системы предварялось созданием теоретической модели. Некоторые физические процессы, ранее малоизученные, подвергались более подробному теоретическому описанию, а построенные лазерные драйверы на стадии тестирования в нашем институте использовались как экспериментальные стенды для изучения этих процессов. Применялись экспериментальные методики, апробированные в

ИПФ РАН и других научных центрах. Для некоторых (например, интерферометричееких) исследований были созданы отдельные стенды.

Достоверность результатов диссертации подтверждает их публикация в таких журналах, как "Квантовая электроника", "IEEE Quantum Electronics", "Optics Express", "Известия ВУЗов. Радиофизика". Кроме того, результаты докладывались на российских и международных школах и конференциях: 4-я (2010) и 6-я (2012) Всероссийские школы для студентов, аспирантов, молодых ученых и специалистов по лазерной физике и лазерным технологиям (Саров); International conference "Nonlinear optics: east-west reunion" (Суздаль, 2011); 16-я Научная школа "Нелинейные волны" (Нижний Новгород, 2012); 17-я (2012) и 18-я (2013) Нижегородские сессии молодых ученых, естественные, математические науки (Нижний Новгород); LA3NET 1st topical workshop on laser based particle sources (CERN, Switzerland, 2013); CLEO: Science and Innovations (San Jose, USA, 2013); The 35th (New York, USA, 2013) and 36th (Basel, Switzerland, 2014) international free electron laser conference; The 5th international particle accelerator conference (Dresden, Germany, 2014); Advanced photonics (Barcelona, Spain, 2014); LA3NET international school on laser applications at accelerators (Salamanca, Spain, 2014).

Лазерные драйверы для фотоинжекторов, проектирование которых стимулировало получение результатов диссертации, были перевезены, смонтированы и работают в институтах: КЕК (High energy accelerator research organization, Япония), ОИЯИ (Объединенный институт ядерных исследований, Россия), DESY (Deutsches Electronen-Synchrotron, Германия). В коллективах, отвечающих за обслуживание лазерных систем, в подробностях были обсуждены тонкости оптических схем и принципов действия всех элементов, чтобы в дальнейшем работа с лазерными драйверами не требовала поддержки специалистов из ИПФ РАН. Апробация результатов институтами-коллабораторами закреплена в совместных публикациях.

Публикации

По теме диссертации опубликовано 17 печатных работ, в том числе 5 статей в реферируемых журналах и 12 публикаций в сборниках тезисов докладов и трудов конференций.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения. Объем диссертации составляет 104 страницы, включая 63 рисунка и 7 таблиц. Список цитируемой литературы содержит 71 наименование.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во Введении дана общая характеристика диссертации, включающая: актуальность и степень разработанности темы исследования, основные цели и задачи работы, научную новизну, теоретическую и практическую значимость работы, методологию и методы исследования, положения, выносимые на защиту, степень достоверности и апробацию результатов, личный вклад автора, сведения о публикациях по теме диссертации, структуре и объеме работы. Затем представлено основное содержание.

В главе 1 приводится обзор существующих лазерных драйверов для фотоинжекторов и использующихся в них методов создания специфической для этой области структуры излучения. Автор начинает с понятия электронного пучка высокой яркости и его получения при помощи фотоинжектора с лазерным драйвером. Затем поясняет, как конструкция конкретного фотоинжектора определяет параметры лазера (длину волны, длительность и энергию импульса, частоту повторения импульсов). И наконец, в заключение параграфа 1.1 останавливается на приложениях таких лазерных систем в электрон-позитронных линейных коллайдерах и рентгеновских лазерах на свободных электронах. Параграф 1.2 посвящен предшествующим работам по генерации прямоугольных цугов лазерных импульсов с параметрами, подходящими для их использования в фотоинжекторе. Параграф 1.3 содержит обзор существующих методов профилирования отдельных импульсов в цуге: во временной области (пункт 1.3.1), в поперечных координатах (пункт 1.3.2) и попыток формирования 3D эллипсоидального (как оптимального в терминах увеличения яркости ускоренного электронного пучка [4]) лазерного импульса либо непосредственно электронного сгустка (пункт 1.3.3). По итогам обзора делаются выводы о роли настоящей работы в процессе развития фотоинжекторных лазеров и её актуальности.

Глава 2 посвящена работе над лазерными драйверами для фотоинжекторов с гауссовым импульсом и прямоугольным цугом. Она начинается с уточнения параметров систем данного типа, продиктованных особенностями процессов инжекции и ускорешш электронного пучка (пункт 2.1.1). Для реализации совокупности этих параметров была предложена схема лазерного драйвера (пункт 2.1.2) типа МОРА (Master Oscillator Power Amplifier) + генераторы гармоник с волоконными задающим генератором (ЗГ) и акусгооптическим модулятором (АОМ) для формирования временной структуры излучения. Параграф 2.1 завершается характеризацией двух лазерных систем (табл. 1), разработанных и построенных в ИПФ РАН в последние годы по схожей схеме (пункт 2.1.3). В настоящее время эти лазеры работают на ускорителях в КЕК (Цукуба, Япония) и ОИЯИ (Дубна, Россия).

КЕК ОИЯИ

Длительность импульса 8-12 пс 8-12 пс

Частота следования импульсов 2,708 МГц 10 МГц

Длительность цуга 900 мкс 800 мкс

Частота следования цугов 5 Гц 10 Гц

Длина волны 260-266 нм 260-266 нм

Энергия импульса 1,4 мкДж 1,4 мкДж

Табл. 1. Требуемые параметры лазерных драйверов для КЕК и ОИЯИ.

В параграфе 2.2 подробнее описывается оконечный твердотельный N<1:УЪР усилитель с ламповой накачкой. Пункт 2.2.1 содержит идею использования волоконного акустооптического модулятора и двух сдвинутых во времени усилительных каскадов для усиления прямоугольных цугов лазерных импульсов. Согласно расчетам, двугорбая форма коэффициента усиления позволяет получить результат ценой гораздо меньших потерь на АОМе по сравнению с использованием одного каскада усиления, либо двух запускающихся без задержки (рис. 1). В пункте 2.2.2 разобрана теоретическая модель такого усилителя, основанная на разделении временных масштабов процессов усиления короткого импульса по "замороженной"' инверсии и медленного накопления инверсии между импульсами. В пункте 2.2.3 приведены особенности экспериментальной реализации усилителя и результаты тестирования системы усиления лазерного драйвера для ОИЯИ, усовершенствованного по сравнению с его предшественником для КЕК.

АОМ Кс1:УЬР усилитель

а - .-•РМч.

б гагп Ж-Л-,. —1->

Рис. I. Схема усиления прямоугольных цугов импульсов с использованием двух каскадов усиления, стартующих с задержкой (а), и одного либо двух синхронных каскадов (б). Серым показаны потери в АОМе, точками - временной профиль коэффициента усиления.

После усиления излучение преобразуется в гармоники (параграф 2.3). Генерация второй гармоники происходит в нелинейном кристалле КТР с эффективностью 60% без искажения временной огибающей цуга импульсов

(пункт 2.3.1). При генерации четвертой гармоники в кристалле ВВО наблюдается эффект аномального поглощения на серых центрах — электронных состояниях, образующихся в результате двухфотонного поглощения четвертой гармоники либо смешанного второй и четвертой (пункт 2.3.2). Серые центры, накапливающиеся в течение цуга (показано, что время их жизни составляет не менее 1 мс), сильно искажают форму цуга (рис. 2) и уменьшают эффективность преобразования (экспериментальное значение 24%). Прямоугольная огибающая цуга на четвертой гармонике достигается дополнительной предкомпенсацией искажений в волоконном АОМе.

2со

♦ энергия —— ост. 2со

-2t)0 0 200 400 600 800 10(00 t, мкс

Рис. 2. Осциллограммы цугов импульсов излучения на второй гармонике (2со), на четвёртой гармонике (4со), остаток от преобразования (ост. 2со) и суммарная осциллограмма цуг ов на четвертой гармонике и остатка от преобразования (энергия), иллюстрирующая существенное нарушение баланса энергии.

В параграфе 2.4 освещены вопросы стабильности выходной мощности лазерной системы. Кратковременная нестабильность, связанная с изменением поляризации излучения на выходе волоконной части, (пункт 2.4.1) была устранена введением системы подстройки тока волоконного предусилителя с обратной связью. Исследованный в пункте 2.4.2 временной ресурс ламп накачки по нашим оценкам составляет не менее 600 часов.

В главе 3 речь идет о лазерном драйвере для фотоинжектора с трехмерным эллипсоидальным импульсом и прямоугольным цугом. В параграфе 3.1 приводятся проблемы, связанные с созданием, распространением, усилением, преобразованием в гармоники и диагностикой таких пучков, и обозначаются идеи решения этих проблем и их воплощения в соответствующих оптических элементах (пункт 3.1.1). В пункте 3.1.2 описана схема конкретного лазерного драйвера, стартующая с

волоконного ЗГ. Также в волоконном дизайне объединены стретчер, несколько каскадов предварительного усиления, АОМы и для одного из двух каналов - быстрая линия задержки. Внутри волоконной части излучение разветвляется на два канала. На выходе волоконной части импульсы двух каналов сжимаются каждый в своем компрессоре. Импульсы рабочего канала затем усиливаются, профилируются и преобразуются в гармоники. Диагностические импульсы (с длительностью, много меньшей длительности рабочих) используются в кросс-корреляторе. В пункте 3.1.3 резюмируется совокупность необходимых параметров лазерного драйвера (табл. 2), который был создан в ИПФ РАН, перевезен в 1)Е5У-1ЧТ7 (Цойтен, Германия) и работает там в настоящее время.

Длительность импульса 7 пс

Частота следования импульсов 1 МГц

Длительность цуга 300 мкс

Частота следования цугов 10 Гц

Длина волны 257,5 нм

Энергия импульса 10 мкДж

Форма импульса эллипсоид

Табл. 2. Параметры лазерного драйвера для ОЕ8У.

В параграфе 3.2 теоретически исследуются дифракционные искажения квазиэллипсоидального 30 лазерного пучка с размытой по функции супергаусса границей при его распространении в свободном пространстве. Применяется метод разложения поля по модам Лагерра-Гаусса (пункт 3.2.1). Вводятся численные параметры, характеризующие искажения такого пучка: расплывание пучка как целого (Да?//) и появление в его профиле дифракционных колец (РгV) (пункт 3.2.2). Последний параметр равен отношению интенсивности максимума к минимуму в крайнем дифракционном кольце. Показано, что в интересующих нас условиях искажения в профиле пучка сказываются гораздо раньше, чем начинает увеличиваться его эффективный радиус. Выявлено две области дифракции, отличающиеся характером искажений импульса (с точки зрения параметра РгУ). На небольших длинах распространения поперечная структура сильнее искажается в среднем сечении импульса по времени из-за более резкой пространственной границы, а на больших длинах - на переднем и заднем фронтах импульса из-за меньшего эффективного диаметра пучка (см. рис. 3). По итогам численного моделирования (пункт 3.2.3) делается вывод о необходимой точности продольного позиционирования элементов схемы, позволяющей без существенных искажений передать изображение ЗО пучка в многопроходном усилителе на кристаллах УЪ:КС\У, которому посвящен следующий параграф.

ПС

Рис. 3. Зависимость параметра Р1У от времени внутри импульса при длине пробега 2 = 15 см (точки) и г = 30 см (сплошная линия). На вставках изображены поперечные распределения интенсивности в соответствующих срезах по времени для г = 30 см.

Оконечный многопроходный (лазерный импульс проходит активную среду 44 раза) широкополосный дисковый УЪ:КО\У усилитель ЗО эллипсоидальных импульсов с диодной накачкой подробно описан в параграфе 3.3. Его оптическая схема (пункт 3.3.1) представляет собой зеркальный телескоп Кеплера с многократным переносом изображения между двумя активными элементами и чередующимися отражениями в сагиттальной и меридиональной плоскости для компенсации астигматизма. Усиление цугов импульсов без искажения их прямоугольной временной огибающей производится по методу "ргеритр^" - задержки начала цуга относительно включения накачки. В пункте 3.3.2 выводится формула для этой задержки:

/о= —т1п(?7),

где г - время жизни верхнего лазерного уровня, г\ = {10Ш /,„)/(/51п(О0)) - КПД усилителя, т.е. отношение мощности, изъятой сигналом из усилителя, к максимально возможной изъятой мощности (когда /,„ стремится к бесконечности). Здесь входная !,„ и выходная 1ои1 интенсивности являются средними по времени на протяжении цуга. Полученное по этой формуле значение совпадает с экспериментальным с точностью лучше 10%. Теоретическая модель усиления в квазичетырехуровневой активной среде -кристалле УЪ:КО\\^ - строится в пункте 3.3.3. При помощи соотнесения решения системы балансных уравнений с экспериментальными данными находятся сечения процессов в УЪ:КС№': поглощения накачки, излучения

сигнала и реабсорбции сигнала. И наконец, в пункте 3.3.4 приводятся результаты тестирования усилителя.

Поскольку длина волны выходного излучения лазерного драйвера должна лежать в ультрафиолетовом диапазоне, усиленный профилированный импульс требуется преобразовать в четвертую гармонику (параграф 3.4). Для того чтобы не исказить пучок в поперечных координатах, в генераторе гармоник осуществляется перенос изображения, а чтобы сохранить временную огибающую или форму спектра эффективная ширина синхронизма нелинейного кристалла увеличивается путем введения в излучение углового чирпа (пункт 3.4.1). Эффективность этого метода в наших условиях показана теоретически (пункт 3.4.2 - базовые уравнения, пункт 3.4.3 - результаты численного счета) с точки зрения КПД преобразования и сохранения трехмерной структуры импульса. В эксперименте (пункт 3.4.4) в качестве дисперсионного элемента использовалась 60° призма из ТФ-12, вторая гармоника генерировалась в кристалле LBO с эффективностью 50%, четвертая - в кристалле ВВО с эффективностью 20%. Продемонстрирован существенный выигрыш по энергии в случае "правильного" чирпа по сравнению с развернутым на 180°.

Рис. 4. Поперечные распределения интенсивности импульса в разные моменты времени. Серия снята на длительности одного цуга.

Отдельно стоит задача о скоростной (на длительности одного цуга) диагностике трехмерной формы результирующего импульса (параграф 3.5). Для этой цели была предложена схема кросс-коррелятора, в которой импульсы рабочего канала сканируются короткими диагностическими импульсами (пункт 3.5.1). Положение очередного кадра по времени внутри сканируемого импульса управляется быстрой волоконной линией задержки диагностического канала (пункт 3.5.2). Взаимодействие импульсов в тонком нелинейном кристалле ВВО сопровождается генерацией неколлинеарной гармоники (пункт 3.5.3). Временные срезы исследуемого импульса записываются на быструю камеру. Кросс-коррелятор был собран для измерения импульса на первой гармонике (пункт 3.5.4), протестирован на предмет временного разрешения (335 фс), эффективной скорости сканирования (1600 см/с), линейности скорости сканирования (±8% в окне 52 пс, ±1,5% для 30 пс и ±0,5% для 15 пс), испытан в режиме диагностики временного профиля и трехмерного распределения (рис. 4).

В заключении приводятся основные результаты работы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Для усиления цугов импульсов с длительностью, большей времени жизни верхнего лазерного уровня, и прямоугольной временной огибающей в усилителе с импульсной ламповой накачкой предложен метод, который использует два усилительных каскада, запускающихся с задержкой, и волоконный акустооптический модулятор. Смоделирована работа усилителя, найдены значения параметров контуров накачки и временных задержек. Экспериментально показана универсальность такого подхода для компенсации временных неоднородностей любой природы - изменений на длительности цуга не только коэффициента усиления, но и эффективности преобразования в гармоники.

2. Экспериментально исследована динамика образования и накопления временных центров поглощения в нелинейном кристалле ВВО при генерации четвертой гармошки Ш:Уи лазера. Зависимости энергии импульса падающей второй, четвертой, остатка второй гармоник и суммарной энергии излучения от времени внутри цуга свидетельствуют о характерном времени жизни центров поглощения не менее 1 мс.

3. Построена модель распространения в свободном пространстве квазиэллипсоидального ЗО оптического импульса с размытой супергауссовой границей. Предложены два числовых параметра, описывающие искажения такого пучка: расплывание пучка как целого и появление в его сечении дифракционных колец. Определена точность продольного позиционирования оптических элементов схемы, передающей изображение такого пучка.

4. Спроектирован и реализован многопроходный широкополосный усилитель с двумя дисковыми активными элементами из кристалла УЬ:КО\У' и многократным переносом изображения. Схема в виде зеркального телескопа Кеплера имеет линейный размер 830 мм, суммарный оптический путь излучения в ней превышает 33 м, активная среда проходится 44 раза. Количество проходов в этой реализации схемы максимально с точки зрения пропускания высоких пространственных гармоник и опасности возбуждения усилителя. Астигматизм пучка компенсируется за счет чередования отражений в сагиттальной и меридиональной плоскостях.

5. Для усиления без искажения временной огибающей прямоугольных цугов лазерных импульсов получено простое выражение для времени задержки прихода на усилитель первого импульса цуга относительно начала прямоугольного импульса накачки. Экспериментальное значение времени задержки совпадает с найденным по этой формуле с точностью лучше 10%.

6. В рамках приближения квазичетырехуровневой активной среды - с ненулевыми населенностями верхнего накачечного и нижнего лазерного

уровней - проведено моделирование усиления в кристалле Yb:KGW. Сопоставление результатов численного счета с экспериментальными данными позволило найти сечения процессов поглощения накачки, излучения и реабсорбции сигнала на фиксированных длинах волн накачки и сигнала.

7. Для генерации четвертой гармоники широкополосного профилированного излучения эффективная ширина синхронизма нелинейных кристаллов была увеличена путем введения в излучение углового чирпа. Для создания углового чирпа использовалась 60° диспергирующая призма из оптического материала ТФ-12, размер пучка и величина чирпа на нелинейных кристаллах управлялись при помощи телескопов Кеплера, переносящих изображение с призмы. Экспериментально показан существенный выигрыш в эффективности преобразования в присутствие углового чирпа по сравнению с чирпом, развернутым на 180°.

8. Предложена схема быстрого сканирующего кросс-коррелягора с генерацией неколлинеарной гармоники в кристалле ВВО и волоконной линией задержки короткого диагностического импульса с переменной длиной (эффективная скорость сканирования 1600 см/с). Продемонстрирована возможность использования такого кросс-коррелятора для диагностики трехмерной формы профилированных лазерных импульсов на длительности одного цуга (300 мкс).

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Введение 4

1. Обзор лазерных драйверов для фотоинжекторов и использующихся в них методов профилирования излучения 15

1.1. Электронные пучки высокой яркости, их создание и приложения 15

1.2. Профилирование макроимпульса лазерного драйвера 18

1.3. Профилирование микроимпульса лазерного драйвера 19

1.3.1. Профилирование во временной области 19

1.3.2. Профилирование в поперечных пространственных координатах 24

1.3.3. Трехмерное профилирование 24

2. Лазерный драйвер для фотоинжектора с гауссовым импульсом 26

2.1. Особенности лазерного драйвера для фотоинжектора с гауссовым импульсом 26

2.1.1. Общие требования к фотоинжекторным лазерам 26

2.1.2. Схема лазерного драйвера для фотоинжектора с гауссовым импульсом 27

2.1.3. Лазерные системы, реализованные на практике 30

2.2. Стержневой ШгУЫ7 усилитель макроимпульсов с прямоугольной огибающей 31

2.2.1. Идея усиления прямоугольных макроимпульсов 31

2.2.2. Моделирование работы усилителя лазерного драйвера

для ОИЯИ 32

2.2.3. Тестирование усилителя 37

2.3. Генерация гармоник лазерного драйвера для фотоинжектора с гауссовым импульсом 40

2.3.1. Генерация второй гармоники 40

2.3.2. Генерация четвертой гармоники в присутствие короткоживущих центров поглощения 41

2.4. Долговременная стабильность лазерного драйвера 45

2.4.1. Нестабильность поляризации излучения волоконного лазера 45

2.4.2. Временной ресурс ламп накачки оконечного усилителя 46

3. Лазерный драйвер для фотоинжектора с 31) профилированием пространственно-временной формы импульса 47 3.1. Особенности лазерной системы с ЗЭ эллипсоидальной формой

импульса 47

3.1.1. Принципиальные решения для элементов схемы лазерного драйвера 47

3.1.2. Схема лазерного драйвера 48

3.1.3. Лазерный драйвер для фотоинжектора электронов с возможностью ЗБ профилирования пространственно-временной формы импульса для ускорительного центра БЕБУ 50

3.2. Искажения квазиэллипсоидального ЗБ лазерного пучка при распространении в свободном пространстве 51

3.2.1. Дифракция ЗБ пучков 51

3.2.2. Количественные параметры искажения ЗЭ пучков 54

3.2.3. Результаты численного моделирования 55

3.3. Многопроходный широкополосный дисковый УЬ:Кв\У усилитель ЗБ эллипсоидальных импульсов 60

3.3.1. Оптическая схема усилителя 60

3.3.2. Усиление прямоугольных макроимпульсов. Препампинг 64

3.3.3. Лазерное усиление в кристалле УЪ:КО\У. Модель квазичетырехуровневой активной среды 67

3.3.4. Тестировать и характеризация многопроходного широкополосного усилителя на кристаллах УЬ:КО\У 73

3.4. Преобразование в гармоники широкополосных ЗБ эллипсоидальных импульсов 77

3.4.1. Постановка задачи о преобразовании в гармоники широкополосного излучения 77

3.4.2. Физическая модель генерации второй гармоники в пучках с угловым чирпом 78

3.4.3. Результаты численного моделирования 79

3.4.4. Экспериментальные исследования генерации второй

и четвертой гармоник в присутствии углового чнрпа 80

3.5. Сканирующий кросс-коррелятор для ЗП мониторинга

лазерных пучков 83

3.5.1. Принцип работы сканирующего кросс-коррелятора 83

3.5.2. Скоростная линия задержки диагностического канала 83

3.5.3. Генерация неколлинеарной второй гармоники в нелинейном кристалле кросс-коррелятора 85

3.5.4. Тестирование кросс-коррелятора 89 Заключение 95 Список цитируемой литературы 97 Публикации автора по теме диссертации 103

Список цитируемой литературы

1. International Linear Collider Reference Design Report / J. Brau, Y. Okada, N. Walker. - Stanford: Stanford Linear Accelerator Center, Stanford University, 2007.-47 c.

2. The European X-Ray Free-Electron Laser Technical design report / A. Massimo, B. Reinhard, С. Majed, D. Winfried, D. Barry, D. Stefan, G. Gerhard, G. Walter, G. Heinz, H. Janos, M. Jonathan, P. Joachim, R. Harald, R. David, I. Robinson, J. Rossbach, A. Schwarz, К. Tiedtke, Т. Tschentscher, I. Vartaniants, H. Wabnitz, Hans Weise, R. Wichmam, K. Witte, A. Wolf, M. Wulff, M. Yurkov. - Hamburg, Germany: DESY XFEL Project Group, 2007. - 646 c.

3. FLASH The Free-Electron Laser in Hamburg. Report / J. R. Schneider.

- Hamburg, Germany: Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY, 2007. - 53 с.

4. Kapchinskij, I. M. Limitations Of Proton Beam Current In A Strong Focusing Linear Accelerator Associated With The Beam Space Charge / I. M. Kapchinskij, V. V. Vladimirskij. - 1959. - C. 274.

Список основных публикаций автора по теме диссертации

Статьи в реферируемых журналах:

AI. Потемкин, А.К. Лазерный драйвер для фотокатода линейного ускорителя электронов / А.К. Потемкин, Е.И. Гачева, В.В. Зе-леногорский, Е.В. Катин, И.Е. Кожеватов, В.В. Ложкарев, Г.А. Лучинин, Д.Е. Силин, Е.А. Хазанов, Д.В. Трубников, Т.Д. Ширков, М. Курики, Д. Уракава // Квантовая Электроника. - 2010. - Т. 40. - №12. - С. 1123-1130.

А2. Зеленогорский, В.В. Сканирующий кросс-коррелятор для мониторинга однородных трехмерных эллипсоидальных пучков /В.В. Зеленогорский, A.B. Андрианов, Е.И. Гачева, Г.В. Геликонов, М. Красильников, М.А. Мартьянов, С.Ю. Миронов, А.К. Потемкин, Е.М. Сыресин, Ф. Штефан, Е.А. Хазанов //Квантовая Электроника. - 2014. - Т. 44. -№1. - С. 76-82.

A3. Gacheva, E.I. Laser driver for a photoinjector of an electron linear accelerator / E.I. Gacheva, A.K. Poteomkin, E.A. Khazanov, V.V. Zeleno-gorskii, E.V. Katin, G.A. Luchinin, N.I. Balalykin, V.F. Minashkin, M.A. Nozdrin, G.V. Trubnikov, G.D. Shirkov // IEEE Journal of quantum electronics. - 2014. - T.50. - №7. - C. 522-529.

A4. Gacheva, E.I. Disk Yb:KGW amplifier of profiled pulses of laser driver for electron photoinjector / E.I. Gacheva, V.V. Zelenogorskii, A.V. Andrianov, M. Krasilnikov, M.A. Martyanov, S.Yu. Mironov, A.K. Potemkin, E.M. Syresin, F. Stephan, E.A. Khazanov //Optics Express. - 2015. - T. 23. - № 8. -C. 9627-9639.

A5. Гачева, Е.И. Искажения квазиэллипсоидалыюго 3D лазерного импульса-пучка при распространении в свободном пространстве / Е.И. Гачева, А.К. Потемкин//Известия Вузов Радиофизика. -2015. - Т. 58.-№ 5.

Публикации в сборниках тезисов докладов и трудов конференции:

А6. Гачева, Е.И. Исследование эффективности процесса генерации прямоугольной огибающей гсуга лазерных импульсов при умножении частоты с учетом тепловых эффектов / Е.И. Гачева, А.И. Макаров, А.К. Потемкин //Научная студенческая конференция высшей школы общей и прикладной физики "ВШОПФ 2010", тезисы докладов. - 2010. -С. 12.

А7. Гачева, Е.И. Лазер для фотоинжектора линейного ускорителя электронов / Е.И. Гачева, А.К. Потемкют //Четвертая всероссийская школа для студентов, аспирантов, молодых ученых и специалистов по лазерной физике и лазерным технологиям, сборник докладов. - 2010. - С. 83-89.

А8. Гачева, Е.И. Лазерный драйвер для фотоинжектора линейного ускорителя электронов / Е.И. Гачева //XVI научная школа "Нелинейные волны - 2012", тезисы докладов молодых учёных. - 2012. - С. 26-27.

А9. Гачева, Е.И. Лазерный УФ драйвер для фотокатода линейного ускорителя электронов / Е.И. Гачева, В.В. Зеленогорский, Г. А. Лучинин, А.К. Потемкин, Е.А. Хазанов // Шестая всероссийская школа для студентов, аспирантов, молодых ученых и специалистов по лазерной физике и лазерным технологиям, сборник докладов. - 2012. - С. 33-36.

Al0. Гачева, Е.И. Отработка компонентов лазерной системы для фотоиижектора линейного ускорителя электронов / Е.И. Гачева // 17-я нижегородская сессия молодых ученых (естественные, математические науки), сборник трудов. - 2012. - С. 56.

All. Gacheva, E.I. Photoinjector laser activities in IAP RAS / E.I. Gacheva // LA3NET 1st topical workshop on laser based particle sources, book of abstracts.-2013.-C. 12-13.

A12. Гачева, Е.И. Широкополосный Yb:KGWусилитель с диодной накачкой для 3D эллипсоидальных импульсов катодных лазеров / Е.И. Гачева // 18-я нижегородская сессия молодых ученых (естественные, математические науки), сборник трудов. - 2013. - С. 18-19.

А13. Khazanov, Е. Cross-correlator for the diagnostics of 3D Ellipsoidal shaped UV laser pulses for XFEL ultra low-emittance photoinjector [Электронный ресурс] / E. Khazanov, A. Andrianov, E. Gacheva, G. Gelikonov, V. Ze-lenogorsky, S. Mironov, A. Poteomkin, M. Martyanov, E. Syresin, M. Krasilnikov, F. Stephan //CLEO: science and innovations, CLEO:2013 technical digest. - 2013. - Режим доступа: http://dx.doi.org/10.1364/ CLEOQELS.2013. JTh2A.27.

A14. Krasilnikov, M. Development of a photo cathode laser system for quasi ellipsoidal bunches at PITZ / M. Krasilnikov, M. Khojoyan, F. Stephan, A. Andrianov, E. Gacheva, E. Khazanov, S. Mironov, A. Poteomkin, V. Zele-

nogorsky, E. Syresin //The 35th International Free Electron Laser Conference, proceedings. -2013. -TUPS039.

A15.Mironov, S. Laser system for generation 3D ellipsoidal UV pulses / S. Mironov, E. Gacheva, A. Andrianov, V. Zelenogorsky, E. Khazanov, A. Poteomkin, M. Krasilnikov, F. Stefan, and M. Martyanov //Advanced photonics, OSA technical digest. - 2014. - JM5A.30.

A16. Rub lack, T. Design of a spatio-temporal 3-D ellipsoidal photocathode laser system for the high brightness photoinjector PITZ / T. Rublack, J. Good, M. Khojoyan, M. Krasilnikov, F. Stephan, I. Hartl, S. Schreiber, A. Andrianov, E. Gacheva, E. Khazanov, S. Mironov, A. Poteomkin, V. Zele-nogorskii, E. Syresin //The 36th international free electron laser conference, proceedings. - 2014. - THP060.

Al7. Rublack, T. Development of a quasi 3-D ellipsoidal photocathode laser system for PITZ / T. Rublack, M. Khojoyan, M. Krasilnikov, F. Stephan, I. Hartl, S. Schreiber, A. Andrianov, E. Gacheva, E. Khazanov, S. Mironov, A. Poteomkin, V. Zelenogorskii, E. Syresin //The fifth international particle accelerator conference, proceedings. - 2014. - TUPME074.

ГАЧЕВА Екатерина Игоревна

УПРАВЛЕНИЕ ПАРАМЕТРАМИ ЛАЗЕРНЫХ ДРАЙВЕРОВ ДЛЯ ФОТОИНЖЕКТОРОВ УСКОРИТЕЛЕЙ ЭЛЕКТРОНОВ

Авторе ф е р а т

Подписано к печати 21.04.2015 г. Формат 60x90 '/,6. Усл. печ. л. 1,5. Тираж 100 экз. Заказ № 36 (2015).

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