Формирование пространственно-временной структуры излучения в мощных твердотельных лазерных системах

• Автор: Яшин, Владимир Евгеньевич
• Шифр специальности: 01.04.21
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2001
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 62 с. : ил.; 20х15 см

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Введение, актуальность темы

Твердотельные лазеры с высокой пиковой мощностью излучения находят широкое применение в различных областях науки и техники — от технологии до лазерного термоядерного синтеза и генерации сверхсильных лазерных полей. Во многих этих применениях, требующих большой концентрации мощности в малых объемах вещества, необходимы лазерные пучки с предельно высокой мощностью и яркостью. Однако возможность получения таких пучков ограничивается целым рядом линейных и нелинейных эффектов общих для большинства твердотельных лазерных систем. Поэтому исследование и развитие методов формирования и коррекции пространственной и временной структуры излучения в твердотельных лазерных системах, несомненно, является актуальной проблемой.
На первой стадии исследований наибольшую актуальность представляла идентификация основных причин, ограничивающих пиковую мощность и яркость излучения твердотельных лазеров среди широкого круга возможных эффектов. Такая идентификация была необходима для разработки адекватных методов их подавления. С этим связана актуальность вопросов, рассматриваемых в первом разделе диссертации.
Актуальность вопросов, рассматриваемых во втором разделе, обусловлена настоятельной необходимостью исследования и развития методов линейной оптики, которые комплексным образом позволили в значительной степени подавить ежелательные эффекты, приводящие к сильной амплитудной н фазовой модуляции азерных пучков и ограничению тем самым интенсивности и яркости излучения.
Во многих случаях использование методов линейной оптики, в том числе и даптивной, оказывается недостаточным для коррекции фазовых искажений, рисущих многоэлементным твердотельным лазерным системам, особенно аботающим в импульсно-периодическом режиме. В связи с этим весьма актуаль-ым является комплекс вопросов, решаемых в третьем разделе диссертации и асающихся применения эффекта обращения волнового фронта при вынужденном ассеянии Мандельштама-Бриллюэна (ВРМБ) и вынужденном комбинационном ассеянии (ВКР) для коррекции аберраций. К моменту начала исследований сам акт реализации ОВФ при ВРМБ был надежно установлен, но не был решен целый яд вопросов, касающихся возможностей и перспектив практического применения •ВФ при вынужденных рассеяниях в лазерных системах с высокими пиковой и редней мощностями излучения. В диссертации описывается целый, ряд методов езгюляющих оптимизировать и успешно применять ВРМБ и ВКР-зеркала в с чиых лазерах.
Эффективность использования «стандартных» методов контроля за е тельными нелинейными эффектами резко снижается для твердотельных г . гых систем с субнаносекукдной, и особенно пикосекундной и фемтосекундной } ' .костями импульса, использующих принцип прямого усиления. Это обуслов-

{ сложностью подавления мелкомасштабной самофокусировки, являющейся

( эным ограничивающим пиковую мощность эффектом. В связи с этим ктуальным является рассмотрение в разделе 4 вопросов, относящихся к новой

архитектуре твердотельных лазеров с компрессией импульса. В диссертации анализируются преимущества этого подхода в сравнении с классическим методом прямого усиления, и показывается его существенное преимущество для получения коротких и сверхкоротких импульсов большой интенсивности. Реализация новой архитектуры лазерных систем возможна лишь при использовании энергетически эффективных методов компрессии. В связи с этим весьма актуальными являются также исследованные в этом разделе методы компрессии с использованием ВРМБ, позволяющие эффективно преобразовывать длительность из наносекундного в субнаносекундный диапазон.
Наконец, актуальность заключительного раздела диссертации связана с необходимостью оптимизации параметров другого класса твердотельных лазеров -лазеров с компрессией импульса, основанных на усилении и сжатии фазово-модули-рованных импульсов. Использование этих принципов, предложенное и экспериментально обоснованное в конце 1980-х годов Mouron с соавторами, позволило твердотельным лазерам совершить прорыв в область тера- и даже петаваттных уровней пиковой мощности. Однако многие вопросы, связанные с получением высококонтрастных пико и фемтосекундных импульсов, серий сверхкоротких импульсов, масштабирования энергии пикосекундных лазерных систем были еще не исследованы. Кроме этих вопросов в данном разделе рассматриваются некоторые новые актуальные приложения сверхкоротких импульсов, связанные с дистанционным зондированием на удаленные расстояния, генерацией рентгеновского излучения и быстрых частиц в лазерной плазме.
Решение перечисленных выше задач является актуальным и имеет большое научное и практическое значение.
Цель работы
Настоящая работа посвящена идентификации и исследованию основных линейных и нелинейных эффектов, ограничивающих мощность и яркость излучения твердотельных лазерных систем, а также разработке и исследованию методов, позволяющих преодолеть эти ограничения с целью получения лазерных пучков с предельной мощностью и яркостью.
Эти исследования включают в себя:
• измерения характерных параметров нелинейных эффектов, протекающих в мощных лазерных системах, и их влияния на мощность и яркость излучения;
• исследование влияния дифракции и ее взаимосвязи с самофокусировкой излучения, как фактора, ограничивающего пиковую мощность и яркость излучения;
• разработку и исследование методов формирования пространственной структуры излучения, позволяющих получать максимальную яркость излучения в условиях развития ограничивающих линейных и нелинейных процессов;
• исследование методов подавления мелкомасштабной самофокусировки, как основного ограничивающего фактора в лазерах со сверхкороткой длительностью импульса;

далось в разделе 2, это обычно делается с помощью аподизирующей или «жесткой» апертуры, формирующей равномерный профиль пучка, и системы пространственных фильтров — оптических ретрансляторов, передающих изображение этой диафрагмы в последовательно расположенные фрагменты нелинейной среды
Для проверки изложенной концепции было проведено численное моделирование, подтвердившее возможность получения существенных фазовых набегов в системе нелинейных элементов, разделенных пространственными фильтрами. При этом наилучшие результаты, естественно получались для импульсов квадратичной формы, для которого производная по времени, определяющая зависимость частоты от времени, линейна. При гауссовской форме импульса возникает нелинейность этой зависимости, приводящая к некоторому снижению контраста импульса при сжатии. Расчеты показали, что и в этом случае линейность частотной зависимости можно улучшить, управляя фазой чирпированного импульса, что наиболее просто осуществимо в стретчере.
Проведенные экспериментальные исследования позволили определить максимальный интеграл распада в одном нелинейном элементе, когда пучок из-за мелкомасштабной самофокусировки еще не распадается на нити. Для импульсов длительностью 1 пс, получаемых после рекомпрессии 500 пс импульса, допустимый интеграл распада В< 3. Использование 3-х нелинейных элементов из стекла К-8, разделенных оптическими фильтрами, позволило увеличить ширину спектра до 10 раз, подтвердив тем самым реализуемость предложенной концепции.
5.4. Интерферометрия чирпированных импульсов как метод дистанционного зондирования [64,65,76,77].
Точность измерения расстояний до удаленных объектов, как известно, повышается с укорочением длительности импульса. Однако прямое применение сверхкоротких импульсов для этой цели сдерживается возможностью возбуждения нелинейных эффектов в атмосфере (ВКР, ионизация воздуха) и необходимостью использования для этой цели сложной и дорогостоящей времяанализирующей аппаратуры (широкополосные приемники или осциллографы, фотоэлектронные регистраторы). Применение широко известных интерферометрических методов трудно осуществимо на больших расстояниях при значительных вариациях измеряемых длин. В этой связи вполне логичным представляется использование для этих целей сравнительно длинных широкополосных лазерных импульсов. Относительно невысокая пиковая мощность таких импульсов не вызывает нелинейных эффектов в атмосфере, а широкополосность позволяет надеяться на точность измерения расстояний, определяемую шириной спектра импульса. Такая возможность была реализована в работе [14*] для чирпированного лазерного импульса, который сжимался во времени после отражения от объекта и прихода к месту регистрации. Относительная дальность до объекта определялась по относительной временной задержке относительно референтного импульса с помощью фотоэлектронного регистратора (стрик камеры). При этом решалась проблема подавления нелинейных эффектов в атмосфере, но для проведения измерений по прежнему требовалась сложная времяанализирующая аппаратура.