Исследование и подавление тепловых эффектов в импульсно-периодических лазерах на неодимовом стекле с энергией излучения сотни джоулей

• Автор: Кузьмин, Алексей Александрович
• Шифр специальности: 01.04.21
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2013
• Место защиты: Нижний Новгород
• Количество страниц: 112 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
Глава 1. НОВЫЙ МЕТОД ДИАГНОСТИКИ ТЕРМОНАВЕДЕННЫХ УПРУГИХ НАПРЯЖЕНИЙ И ФАЗОВЫХ ИСКАЖЕНИЙ ИЗЛУЧЕНИЯ В СТЕРЖНЕВЫХ ЛАЗЕРНЫХ УСИЛИТЕЛЯХ
1.1 Математическая модель теплообменных процессов в активном элементе лазера; взаимосвязь распределения температуры с упругими напряжениями в активной среде, искажениями фазы и деполяризацией лазерного излучения
1.2 Метод нахождения распределения температуры в активном элементе по измерению степени деполяризации излучения
1.3 Экспериментальная реализация метода
1.4 Сравнение результатов восстановления фазы излучения из распределения степени деполяризации с результатами прямого измерения фазового фронта при помощи интерферометра Маха-Цендера
1.5 Заключение к главе
Глава 2. ИМПУЛЬСНО-ПЕРИОДИЧЕСКИЙ РЕЖИМ РАБОТЫ ШИРОКОАПЕРТУРНЫХ СТЕРЖНЕВЫХ ЛАЗЕРНЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ НА НЕОДИМОВОМ СТЕКЛЕ
2.1 Параметры исследованных усилителей
2.2 Измерение термонаведенных искажений излучения в режимах работы с высокой частотой повторения импульсов накачки
2.3 Анализ термонаведенных эффектов при различных частотах повторения импульсов и энергиях накачки
2.4 Экспериментальное исследование компенсации деполяризации в схеме с двумя последовательными активными элементами и вращателем поляризации на 90 градусов, установленным между ними, в режиме работы с высокой частотой повторения импульсов накачки
2.5 Заключение к главе
Глава 3. ЛАЗЕР НА НЕОДИМОВОМ СТЕКЛЕ С ЭНЕРГИЕЙ ИМПУЛЬСОВ 220 ДЖ И ЧАСТОТОЙ ИХ ПОВТОРЕНИЯ 0.02 ГЦ ДЛЯ НАКАЧКИ МУЛЬТИПЕТАВАТТНОГО КОМПЛЕКСА НА ОСНОВЕ ТИТАН-САПФИРА
3.1 Общая концепция лазера для накачки титан-сапфира
3.2 Формирование пространственной структуры пучка на выходе задающего генератора

3.3 Расчеты возможных схем лазера на неодимовом стекле с энергией импульсов несколько сотен джоулей и частотой их повторения 0.02 Гц
3.4 Роль усиленного спонтанного излучения в силовом каскаде установки
3.5 Лазер на неодимовом стекле с энергией импульсов 220 Дж и частотой их повторения 0.02 Гц
3.6 Паразитное рассеяние и его подавление в схеме лазера
3.7 Заключение к главе
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
ВВЕДЕНИЕ
С момента создания в 1960 году первого квантового оптического генератора - рубинового лазера [1] - одной из важнейших задач квантовой электроники является наращивание пиковой мощности излучения. Само понятие мощности определило два основных

направления решения этой задачи: увеличение энергии в импульсе и сокращение его длительности. Достаточно скоро - в 1961 году - были созданы лазеры, в которых в качестве активной среды использовалось стекло, допированпое ионами Nd3+ [2]. Неодимовое стекло и по сей день широко применяется в мощных высокоэнергетичных лазерных системах благодаря следующим незаменимым характеристикам: высокий уровень запасенной энергии, высокое оптическое качество, возможность изготовления активных элементов большого размера, относительно слабо выраженные нелинейные свойства. Быстрое развитие методов укорочения лазерных импульсов, таких как модуляция добротности и синхронизация мод, уже во второй половине 1960-х годов позволило получить лазерное излучение гигаваттного уровня мощности, интенсивность которого после фокусировки достигала 1014 Вт/см2. В дальнейшем естественные ограничения, такие как мелкомасштабная самофокусировка и оптический пробой элементов, почти два десятилетия не позволяли преодолеть этот рубеж.
1 Качественный скачок на пути создания сверхмощных лазерных систем был сделан
в середине 1980-х годов, когда был изобретен метод усиления чирпированных импульсов (СРА, от англ. Chirped Pulse Amplification). Суть метода заключается в растягивании импульса более чем в 104 раз за счет линейной модуляции частоты (чирпирования), что значительно уменьшает интенсивность излучения и позволяет усиливать его в активной среде. После усиления осуществляется дисперсионное сжатие (процесс, обратный чирпированию), и импульс вновь становится коротким (в идеале - спектрально ограниченньм). Как следствие, его интенсивность многократно возрастает. Для растяжения и сжатия импульса, как правило, используются пары дифракционных решеток - отражательных элементов, стойкость которых к оптическому пробою значительно выше, чем стойкость объемных оптических элементов, рассчитанных на пропускание лазерного излучения. Пионерами направления стали Д. Стрикленд и Ж. Муру, которые в 1985 году первыми пришли к практической реализации метода СРА в твердотельных лазерных системах [3]. Их работа дала начало быстрому развитию технологии в сфере генерации тераваттных и мультитераваттных импульсов и в конечном итоге привела к созданию петаваттных лазерных систем [4-6], интенсивность излучения в которых после фокусировки достигла 1022 Вт/см2 [7, 8].

интернет версии нашей статьи [56], которую можно найти по электронному адресу, указанному в [115], опубликованы видео материалы, отображающие динамику измеренных в эксперименте параметров.
Измеренные распределения степени деполяризации Г по апертуре стержня в различные моменты времени приведены на рис. 10. Динамика интегральной степени деполяризации у (отношения энергии пучка, поляризованного ортогонально падающему излучению, к полной энергии пучка на выходе из активной среды) приведена на рис. 11. Вертикальные линии соответствуют моментам импульсов накачки (1 раз в 3 минуты). График демонстрирует установление стационарного режима Д = СИ-15 мин.), собственно стационарный режим Д = 15-^72 мин.) и релаксацию деполяризации после последнего импульса накачки (г > 72 мин.), обозначенного звездочкой.
(а) (б)

импульс №1 Г = 00:00:
теория эксперимент

0.6 Е

импульс№11 t = 00:02:
теория эксперимент
Г 0.8 Об 0 4 0.
Рис. 10. Распределения степени деполяризации в активном элементе диаметром 4.5 см после первого импульса накачки (а) и в стационарном режиме (б)

О 30 1, мин. 60
Рис. 11. Динамика интегральной степени деполяризации в активном элементе диаметром
4.5 см в серии импульсов накачки, следующих с периодом 3 минуты. Звездочкой обозначен последний импульс накачки в серии