Обращение волнового фронта фемтосекундных импульсов при трехволновом взаимодействии в кристаллах DKDP

• Автор: Пергамент, Михаил Михайлович
• Шифр специальности: 01.04.03
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2006
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 85 с. : ил.

1. Глава. Постановка задачи исследования

1.1. Обзор методов ОВФ

1.2. Анализ состояния вопроса и постановка задачи исследования

2. Глава. Теоретическое и численное исследования процесса трёхволнового

взаимодействия

2.1. Оценки спектральной ширины синхронизма 1-го и 11-го типов

2.2. Общие требования к параметрам лазерных пучков при трехволновом

взаимодействии

2.3. Эффективность преобразования и искажения временной формы узкополосных

сигналов при трёхволновом взаимодействии в кристалле ОКВР

2.4. Характеристики неколлииеарного взаимодействия 1-го типа в кристалле ОКОР

2.5. Анализ влияния ширины полосы и поперечной структуры пучка на фазовое
сопряжение при ТВВ
2.6. Результаты числового моделирования ТВВ
3. Глава. Экспериментальная установка и методы диагностики.:
3.1. Лазер накачки
3.2. Система генерации чирпировапного импульса
3.3. Диагностический комплекс
4. Глава. Экспериментальные исследования
4.1. Обращение ВФ широкополосных (АА~10А) импульсов излучения
параметрического генератора
4.2. Обращение ВФ широкополосных (АЛ~115А) чирпированных импульсов
излучения фемтосекундного генератора на Ыс?3стекле
4.3. Эксперимент по обращению ВФ улыпраишрокополосного чирпировапного
(~ 600 А) лазерного импульса
Заключение

В последнее время получили широкое распространение научные и технологические исследования с использованием ультракоротких (УК) лазерных импульсов. Области применения УК лазерных импульсов очень широки, начиная от сверления микроотверстий и глазной хирургии и заканчивая созданием пучков заряженных частиц высокой энергии. Интерес обычно связан с сочетанием высоких интенсивностей излучения и УК длительностей в сотни или даже в десятки фемтосекунд, причем мощности, достигнутые в современных лазерных системах, достигают петаваттного уровня.
Получение импульсов такой большой мощности связанно с рядом сложностей. Прежде всего, генераторы импульсов ультракороткой длительности основаны на синхронизации большого числа мод широкого спектра излучения. Лишь это позволяет получить импульсы УК длительности. Средняя мощность таких генераторов составляет сотни милливатт при частоте повторения в сотни МГц, так что энергия в отдельном импульсе находится па уровне нескольких наноджоулей, что недостаточно для большинства практических задач. Их усиление возможно, но лишь при использовании достаточно дорогостоящих сред с широкой спектральной полосой усиления. Прямое усиление такого излучения вплоть до уровня порядка десятков киловатт хорошо изучено. Одна из основных сложностей прямого усиления УКИ состоит в том, что при фемтосекундных длительностях в процессе усиления импульс довольно скоро достигает интенсивностей, приводящих к разрушению оптических элементов. Поэтому в настоящее время широко используется предложенный в [1] способ усиления так называемых чирпированных импульсов (Chirp Pulse Amplification, CPA). В этом случае импульс сначала растягивается во времени в сотни тысяч раз с помощью различных дисперсионных методов, основанных на разнице групповых скоростей для различных спектральных компонент, затем усиливается, и потом сжимается обратно. Методы растяжения могут быть различными, начиная с использования многокилометрового оптического волокна, где длительность импульса увеличивается за счет дисперсии групповой скорости, и вплоть до построения весьма сложных оптических систем па основе дифракционных решёток. После усиления импульс компрессируется в системах с сильной отрицательной дисперсией на основе дифракционных решёток. Основная , проблема в этом подходе связана с тем, что рост энергии импульса с неизбежностью приводит к необходимости увеличивать апертуру как усилительных элементов, так и дифракционных решеток. Дополнительная трудность состоит в том, что импульсы
длительностью в десятки и сотни фемтосекунд обладают шириной спектра в десятки и сотни нанометров (широкополосные импульсы), что превышает ширину спектра усиления традиционных стеклянных сред. Широкоапертурные же кристаллические элементы с широкой полосой усиления и требуемым (высоким) оптическим качеством чрезвычайно дороги. Для решения проблемы усиления чирпированных импульсов был предложен альтернативный способ - параметрическое усиление в нелинейном кристалле. Его суть состоит в том, что фемтосекундный импульс сначала растягивают во времени до нескольких наносекунд с помощью системы с сильной положительной дисперсией, так же как при использовании традиционного СРА. Затем растянутый импульс (его принято называть сигнальным) смешивают в нелинейном кристалле с импульсом накачки длительностью в несколько наносекунд и, за счёт нелинейности и анизотропии кристалла, добиваются эффективной перекачки энергии из импульса накачки в сигнальный фемтосекундный импульс.
Отметим, что этот процесс сопровождается генерацией холостого импульса, который обладает обращённой фазой по отношению к исходному сигнальному импульсу. Если усиление сигнального импульса достаточно хорошо изучено, то исследованиям условий генерации и параметрам холостого импульса посвящено значительно меньше работ. Между тем, этот эффект чрезвычайно интересен, так как возможность обращения пространственной фазы широкополосных лазерных пучков (обращение волнового фронта - ОВФ) весьма привлекательна, в том числе и с практической точки зрения. Представляемая работа посвящена исследованию ОВФ в процессе параметрического усиления чирпированных импульсов при трёхволновом смешении в нелинейном кристалле ОКБР.
Исследования эффекта обращения волнового фронта проводятся достаточно давно. Практическая значимость этого явления обусловлена следующими обстоятельствами. При усилении и транспортировке мощных лазерных импульсов они проходят большое количество оптических элементов. Из-за их неидеалыюсти, а также ввиду термооптических искажений в элементах системы усиления, изначально плоский волновой фронт искажается. Эти искажения могут привести к увеличению пространственной плотности энергии в отдельных точках пучка, вызывая развитие различных нелинейных эффектов в пучке - самофокусировке и ВРМБ, что приводит, в конечном счете, к разрушению оптических элементов лазерной системы. Кроме того, пучок с неидеальным волновым фронтом очень сложно фокусировать, что является критическим фактором для большинства применений.

К(и/г) = Ти(и/г)Р{К(х)}.
Эти две интерференционные картины позволяют вычислить производные фазы по трём
ортогональных производных, последние умножаются на соответствующие координаты в
в обычном координатном пространстве [30]. Далее выполняется обратное Фурье-преобразование, результатом которого и является восстановленный волновой фронт. Одновременно вычисляются ортогональные производные в каждой точке и поэлементно рассматривается среднеквадратичное отклонение от исходного массива. Его величина и служит критерием качества восстановления. Подобными итерациями возможно сколь угодно близкое приближение к исходному волновому фронту; ограничивающим критерием служит изначально вычисленная ошибка измерения ое
Из них вычисляются ортогональные производные и ошибка измерения

1 д¥ д¥ д¥ — 1
Фурье-пространстве//,/? и делятся на их сумму//+//.что соответствует интегрированию