авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ БИБЛИОТЕКА РОССИИ

КОНФЕРЕНЦИИ, КНИГИ, ПОСОБИЯ, НАУЧНЫЕ ИЗДАНИЯ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 6 |
-- [ Страница 1 ] --

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК

ПРОГРАММА

ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ

ИССЛЕДОВАНИЙ

ПРЕЗИДИУМА РАН № 13

«ЭКСТРЕМАЛЬНЫЕ СВЕТОВЫЕ ПОЛЯ

И ИХ

ПРИЛОЖЕНИЯ»

ОТЧЕТ

за 2012 г.

Москва 2012 г.

"Утверждаю"

Президент

Российской академии наук

академик Ю.С. ОСИПОВ

« » 2012 г.

Комплексная Программа фундаментальных исследований Президиума РАН № 13 «ЭКСТРЕМАЛЬНЫЕ СВЕТОВЫЕ ПОЛЯ И ИХ ПРИЛОЖЕНИЯ»

ОТЧЕТ за 2012 г.

Координаторы Программы:

Директор ИЛФ СО РАН академик _ С.Н. Багаев Научный руководитель ИПФ РАН академик А.В. Гапонов-Грехов ОТЧЕТ О ВЫПОЛНЕНИИ ПРОЕКТОВ ПО ПРОГРАММЕ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ПРЕЗИДИУМА РАН «ЭКСТРЕМАЛЬНЫЕ СВЕТОВЫЕ ПОЛЯ И ИХ ПРИЛОЖЕНИЯ»

в 2012 ГОДУ В 2012 г. начато выполнение обновленной программы "Экстремальные световые поля и их приложения " по 6 направлениям:

1. Мульти-петаватные и субэкзаваттные лазеры.

2. Субпетаваттные лазеры с высокой частотой повторения импульсов.

3. Лазерно-плазменное ускорение заряженных частиц до ультрарелятивистких энергий.

4. Физика и фундаментальные основы практических приложений взаимодействия сверхсиль ных оптических полей с веществом.

5. Ультрастабильные источники оптического излучения и высокопрецизионная фемто- и аттосекундная метрология.

6. Новые оптические материалы и элементная база для лазеров с экстремальными пара метрами.

Программа включает 42 научных проекта, выполнявшихся в 19-ти институтах РАН: Ин ститут прикладной физики РАН, Институт общей физики РАН, Физический институт РАН, Институт физики микроструктур РАН, Научный центр волоконной оптики РАН, Институт спектроскопии РАН, Институт кристаллографии РАН, Фрязинский филиал Института радио техники и электроники РАН, Объединенный институт высоких температур РАН, Институт химической физики РАН, Институт химии высокочистых веществ РАН, Институт проблем технологии микроэлектроники и особочистых материалов РАН, Институт лазерной физики СО РАН, Институт сильноточной электроники СО РАН, Институт оптики атмосферы СО РАН, Институт ядерной физики СО РАН, Институт геологии и минералогии СО РАН, Институт электрофизики УрО РАН, Институт автоматики и процессов управления ДВО РАН.

Важным аспектом программы является ее междисциплинарный характер, что обеспе чивается участием институтов 3-х отделений РАН: Отделения физических наук, Отделения энергетики, машиностроения, механики и процессов управления и Отделения химии и наук о материалах. В выполнении проектов участвовали институты всех трех региональных отделе ний РАН.

В рамках направления "Мульти-петаватные и субэкзаваттные лазеры" на основе дости жений в создании самых мощных в мире петаваттных параметрических усилителей света в ИПФ РАН разработана концепция экзаваттного лазерного комплекса – проект XCELS, включенный в число шести российских проектов класса мега-сайенс для реализации на тер ритории страны в предстоящее десятилетие. Проект базируется на отечественных технологи ях выращивания широкоапертурных нелинейно-оптических кристаллов DKDP, создания ки лоджоульных наносекундных твердотельных лазеров накачки, а также на использовании пе редовых методов адаптивной оптики для когерентного суммирования мощных лазерных пучков. В ИЛФ СО РАН экспериментально продемонстрирована принципиальная возмож ность когерентного сложения параметрически усиленных фемтосекундных импульсов с дли тельностью 20-25 фс с эффективностью более 90% с помощью разработанной прецизионной электронно-оптической схемы стабилизации относительного временного джиттера. Проана лизированы основные факторы, определяющие условия реализации когерентного сложения.

В ИСЭ СО РАН совместно с ФИАН в гибридной фемтосекундной системе достигнута ре кордная для видимого диапазона пиковая мощность 14 ТВт в импульсах длительностью фс. Измерен усиленный спонтанный шум конечного XeF(C-A)-усилителя и показано, что временной контраст гибридной системы может достигать 1012 – 1013.

По направлению "Субпетаваттные лазеры с высокой частотой повторения импульсов" продолжалась разработка элементной базы высокоинтенсивных твердотельных лазерных систем на основе широкополосных параметрических усилителей, работающих с высокой частотой повторения. В ИЛФ СО РАН разработаны конфигурации оптических схем и прове дены расчеты поэтапного увеличения выходной мощности канала усиления до субпетаватт ного уровня на основе параметрического усиления в кристаллах LBO при пикосекундной на качке. Реализован первый каскад усиления в канале накачки на базе регенеративного Yb:KYW усилителя с коэффициентом усиления до 106. В ИПФ РАН для криогенного диско вого лазера на основе Yb:YAG-керамики разработан высокоэффективный предварительный усилитель с энергией на выходе 30 мДж, частотой повторения импульсов 1 кГц и оптической эффективностью 33% и основной усилитель с энергией 230 мДж при частоте повторения 150 Гц.

Для увеличения средней мощности лазера разработана и апробирована проточная система охла ждения жидким азотом и использован композитный активный элемент.

В рамках работ по направлению "Лазерно-плазменное ускорение заряженных частиц до ультрарелятивистких энергий" в ИПФ РАН экспериментально обнаружено формирование квазимонохроматических пучков ускоренных электронов при фокусировке фемтосекундного лазерного излучения интенсивностью до 21017 Вт/см2 на торец алюминиевой фольги. Рас пределение электронов по энергии имело пик с максимумом в диапазоне энергий 200- кэВ с шириной менее 20%. Механизм ускорения электронов связан с генерацией плазменной волны в результате самомодуляционной неустойчивости лазерного импульса в плотной плазме, созданной предимпульсом, приходящим за ~10 нс до основного импульса. Прове денное одномерное PIC моделирование распространения лазерного излучения в плазме с концентрацией 51019 см-3 показало, что при наличии неоднородностей на границе плазмы либо во временной форме пучка может происходить эффективное возбуждение плазменной волны, захват и ускорение пучков электронов до энергий порядка 1 МэВ. Такие пучки могут быть использованы для инжекции в лазерно-плазменные ускорители, значительно улучшая качество выходного электронного пучка с энергией вплоть до нескольких ГэВ. Кроме того, предложена новая схема генерации и ускорения многозарядных ионов на основе взаимодей ствия петаваттных лазерных импульсов со структурированными многокомпонентными ми шенями. Как показали расчёты в результате взаимодействия интенсивного (около 5 ПВт) оп тического излучения с фольгой может быть сформирован пучок многозарядных ионов пико вой мощностью до 100 ТВт с энергиями в районе 28 МэВ/нуклон и разбросом по энергиям не превышающим нескольких процентов. В ИЛФ СО РАН и ИЯФ СО РАН произведено теоре тическое обоснование новой схемы каналирования драйвера для лазер-плазменного кильва терного ускорения. Показано, что при контрасте лучше 106 возможен ввод до 85% энергии лазерного импульса в основную моду узкого круглого металлического капилляра, обладаю щую малым коэффициентом затухания (0.02 см-1 для медного капилляра радиуса 15 мкм).

При экспериментальной реализации кильватерного ускорения в таком капилляре возможно достичь энергии электронов более 1 ГэВ при энергии лазерного драйвера 300 мДж и дли тельности 50 фсек.

В рамках направления "Физика и фундаментальные основы практических приложений взаимодействия сверхсильных оптических полей с веществом" в ОИВТ РАН разработана фемтосекундная интерферометрическая методика измерений динамики деформации поверх ностного слоя при однократном воздействии на мишень с использованием пробного чирпи рованного импульса. Методика обеспечивает непрерывную регистрацию величины смеще ния поверхности образца от времени в интервале 0250 пс с временным разрешением 2 пс. С помощью этой методики проведены измерения динамики деформации и откольной прочно сти на тыльной свободной поверхности алюминиевой мишени. В ИОФ РАН получены новые экспериментальныe данные о механической прочности мишеней из Al, сплава АМг6М, ПММА, Ta, W, Cu, Pd, C, Si и Pb при воздействии на них лазерным излучением длительно стью 70 пс. Полученные результаты показали, что при больших давлениях наблюдается рост откольной прочности, что может указывать на упрочнение материала.

В ИПФ РАН с использованием сэндвич-структуры, состоящей из 30 мкм слоя ниобата лития, кремниевой призмы и металлической подложки с варьируемым воздушным зазором, достигнута рекордная эффективность конверсии (~ 0.25%) излучения фемтосекундного лазе ра в широкополосное ТГц излучение. Продемонстрирована возможность перестройки ТГц спектра путем изменения ширины воздушного зазора. Впервые экспериментально исследо вана генерация ТГц излучения при пробое воздуха двухчастотным лазерным излучением с мощной высокочастотной волной (800 нм) слабой низкочастотной (1600 нм). Измерены за висимости средней мощности терагерцового излучения от энергии импульсов волн накачки, а также поворота плоскости поляризации и, впервые, частотной отстройки низкочастотной волны накачки.

В ИХФ РАН с помощью усовершенствованой установки фемтосекундного лазерного манипулятора для проведения нанохирургических операций с клетками и эмбрионами разра ботаны фундаментальные основы лазерной технологии получения чистых линий млекопи тающих - моделей болезней (например, диабета, заболевания нервной системы и т.п.). Про ведение подобных операций альтернативными методами (механический микроманипулятор, пьезоманипулятор и т.д.) практически невозможно. В ОИВТ РАН на базе иттербиевого фем тосекундного лазера разработан метод локализованного и обратимого изменения проницае мости клеточной мембраны и введения в клетки внеклеточного материала. С помощью флуоресцентной микроскопии разработана методика диагностики заполнения клеток макро молекулами.

В рамках исследований по направлению "Ультрастабильные источники оптического излучения и высокопрецизионная фемто- и аттосекундная метрология" продолжены работы по созданию фемтосекундного оптического стандарта частоты для системы ГЛОНАСС (ста бильность 10-16 и выше). В ФИАН подтвердили возможность создания малогабаритного транспортируемого Сr:ZnSe/CH4 оптического стандарта на основе впервые зарегистрирова ных узких внутри допплеровских резонансов насыщенной дисперсии на синглетной Е компоненте линии R(2) полосы 1+4 метана ( = 2.36 мкм) в излучении твердотельного Сr:ZnSe лазера с метановой ячейкой. В ИЛФ СО РАН проведены исследования синтезаторов оптических частот на основе высокостабильных фемтосекундных волоконных лазеров, ма лошумящих усилителей и оптоволоконных уширителей спектра для прецизионных мобиль ных оптических систем. Ведутся исследования по созданию нового поколения оптических стандартов частоты со стабильностью не хуже 10-17 на основе одиночного иона иттербия-171.

Выполнено проектирование и испытание основных узлов радиочастотной ионной ловушки.

Разработана и исследована лазерная система для допплеровского охлаждения иона. Предло жен метод существенного подавления сдвига частоты эталонного перехода в атоме или ионе, связанного с тепловым излучением окружающей среды. Совместно с Физико-техническим Институтом (PTB, Брауншвейг, Германия) впервые разработана и экспериментально опробо вана методика подавления светового сдвига частоты эталонного перехода в ионе иттербия с помощью «гипер-Рамзи» возбуждения. Продемонстрирована возможность субдоплеровского охлаждения атомов магния до температуры T25 мкК и загрузки их в оптическую «решетку»

для оптического стандарта частоты на основе ультрахолодных атомов магния. Разработаны компактные лазерные системы для стандартов частоты и исследованы их спектральные ха рактеристики, получена субкилогерцовая ширина линии «часового» лазера.

В ИСАН начаты исследования нанолокализованных источников фемтосекундного из лучения на основе нано-отверстия в проводящем экране, облучаемом лазерным светом. По казано, что чрезвычайно высокая оптическая восприимчивость 3-го порядка в металлических нанострукрурах и наличие сильных плазмонных резонансов, позволяют реализовать эффек тивный нанолокализованный источник излучения на частоте генерации 3-й гармоники и ши рокополосное фемтосекундное излучение на основе фотолюминисценции металла.

По направлению "Новые оптические материалы и элементная база для лазеров с экс тремальными параметрами" усилиями ряда институтов (ИРЭ РАН, ИЭФ УрО РАН, ИЛФ СО РАН, ИХВВ РАН, ИПФ РАН, ФИРЭ РАН) проведено исследование и оптимизация режимов спекания лазерной керамики, включая режим нагрева СВЧ-излучением, получены и исследо ваны новые образцы лазерной керамики, продемонстрирована лазерная генерация. В частно сти, получены керамики Y2O3, в том числе легированные La, Nd и Yb, размером до 18х2.5 мм с пропусканием более 83% в области 1 мкм;

керамики иттрий-алюминиевого граната с Nd и Yb лазерного качества размером до 26х3 мм с пропусканием до 84.5%;

керамики с разупоря доченной кристаллической структурой нового состава [(YbxLuyY1-x-y)2O3]a(ZrO2)b, где x + y 1, a + b = 1, с шириной спектральной линии на уровне 0.4 интенсивности 60 нм и про пусканием 80.57%. При использовании керамики Y2O3 и керамики с разупорядоченной кри сталлической структурой в качестве активной среды получена генерация излучения на длине волны 1.03 мкм, причем в последнем случае дифференциальный КПД составил 29.2%.

В ИПФ РАН и НЦВО РАН разработан волоконно-оптический источник фемтосекундных импульсов в диапазоне длин волн 0.9 – 1.1 мкм, который может быть использован в качестве за дающего генератора для мощных волоконных и параметрических систем, а также создан полно стью волоконный фемтосекундный лазер с плавной перестройкой по длине волны в полосе уси ления тулиевого волоконного усилителя (1.8 – 2.1 мкм), на выходе которого энергия лазерных импульсов составила 56 нДж при частоте повторения импульсов 5 МГц.

Направление Программы "Поддержка участия институтов РАН в подготовительной стадии мегапроекта ЦИЭС по созданию субэкзаваттного лазера" в 2012 году из-за недостатка средств не финансировалось.

По результатам выполнения Программы была проведена конференция, на которой бы ли заслушаны выступления руководителей всех проектов. Из анализа этих выступлений, по следующей дискуссии и представленных письменных отчетов можно сформулировать наи более важные результаты.

1. На основе достижений в создании самых мощных в мире петаваттных параметриче ских усилителей света разработана концепция строительства экзаваттного лазерного ком плекса - проект XCELS. Проект базируется на отечественных технологиях выращивания ши рокоапертурных нелинейно-оптических кристаллов DKDP, создания килоджоульных нано секундных твердотельных лазеров накачки, а также на использовании передовых методов адаптивной оптики для когерентного суммирования мощных лазерных пучков. XCELS включен в число шести российских проектов класса мега-сайенс для реализации на террито рии страны в предстоящее десятилетие. (ИПФ РАН).

2. Впервые экспериментально продемонстрирована принципиальная возможность ко герентного сложения параметрически усиленных импульсов длительностью 25 фс. Сложение импульсов с энергией 3 мДж с эффективностью более 90% реализовано с использованием сферического зеркала и разработанной прецизионной электронно-оптической схемы стаби лизации относительного временного джиттера. Проанализированы основные факторы, опре деляющие условия реализации когерентного сложения. Проведённый анализ и эксперимен тальные данные подтверждают отсутствие принципиальных ограничений на когерентное сложение импульсов вплоть до мульти-петаваттной мощности. (ИЛФ СО РАН).

3. Разработаны ключевые элементы для лазеров с высокой пиковой мощностью и с вы сокой частотой повторения импульсов: регенеративный Yb:KYW усилитель с коэффициен том усиления до 106 для накачки параметрического усиления фемтосекундных импульсов в нелинейно-оптических кристаллах группы боратов, а также криогенный дисковый лазер на Yb:YAG-керамике, включающий высокоэффективный предварительный усилитель с энергией на выходе 30 мДж, частотой повторения импульсов 1 кГц и оптической эффективностью 33% и силовой усилитель с энергией 230 мДж при частоте повторения 150 Гц. Для увеличения средней мощности лазера разработана и апробирована проточная система охлаждения жидким азотом и использован композитный активный элемент. (ИПФ РАН, ИЛФ СО РАН).

4. Предложена новая схема генерации и ускорения многозарядных ионов на основе взаи модействия петаваттных лазерных импульсов со структурированными многокомпонентными мишенями. Факторами, определяющими эффективность схемы, являются создание монозаряд ных ионов, ускорение полем разделения зарядов, возникающим при пондемоторном отжатии электронов вглубь мишени, и обужение энергетического спектра ионов при разлете многоком понентной плазмы. В численном эксперименте показано, что при помощи современных лазер ных систем ионы с зарядом до 30 могут быть эффективно получены и ускорены до энергий в де сятки МэВ/нуклон с выходной мощностью до десятков ТВт и током до сотен кА, при этом раз брос по энергиям может не превышать нескольких процентов. (ИПФ РАН).

5. Усовершенствована установка фемтосекундного лазерного манипулятора для прове дения нанохирургических операций с клетками и эмбрионами;

проведение подобных опера ций альтернативными методами практически невозможно. Разработаны фундаментальные основы лазерной технологии получения чистых линий млекопитающих - моделей болезней (например, диабета, заболевания нервной системы и т.п.). На основе излучения иттербиевого фемтосекундного лазера разработан метод локализованного и обратимого изменения прони цаемости клеточной мембраны и контролируемого введения в клетки внеклеточного мате риала. (ИХФ РАН, ОИВТ РАН).

6. Впервые зарегистрированы узкие внутри-допплеровские резонансы насыщенной дисперсии на синглетной Е-компоненте линии R(2) полосы 1+4 метана ( = 2.36 мкм) в из лучении твердотельного Сr:ZnSe лазера с метановой ячейкой. Подтверждена возможность создания малогабаритного транспортируемого Сr:ZnSe/CH4 оптического стандарта частоты для системы ГЛОНАСС. Разработаны оптимальные синтезаторы оптических частот на осно ве высокостабильных фемтосекундных волоконных лазеров, малошумящих усилителей и оп товолоконных уширителей спектра для прецизионных мобильных оптических систем. Про ведены исследования по разработке нового поколения атомных стандартов частоты на осно ве одиночного иона иттербия-171 и ультрахолодных атомов магния со стабильностью не ху же 10-17. Предложен новый метод подавления теплового сдвига частоты эталонного перехода в атоме или ионе. Совместно с Физико-техническим Институтом (PTB, Брауншвейг, Герма ния) впервые разработана и экспериментально опробована методика подавления светового сдвига частоты эталонного перехода в ионе иттербия с помощью «гипер-Рамзи» возбужде ния. Продемонстрирована возможность субдоплеровского охлаждения атомов магния до температуры T25 мкК и загрузки их в оптическую «решетку». (ФИАН, ИЛФ СО РАН).

7. Проведено исследование и оптимизация различных режимов спекания лазерной ке рамики, включая режим нагрева СВЧ-излучением, изготовлены и исследованы новые образ цы лазерной керамики. Получены керамики иттрий-алюминиевого граната с Nd и Yb хоро шего качества с рекордным пропусканием до 84.5%;

а также керамики с разупорядоченной кристаллической структурой нового состава [(YbxLuyY1-x-y)2O3]a(ZrO2)b, где x + y 1, a + b = 1, с рекордной шириной спектра линии генерации иттербия 60 нм. При использова нии керамики с разупорядоченной кристаллической структурой в качестве активной среды получена генерация излучения на длине волны 1.03 мкм с рекордным дифференциальным КПД 29.2%. (ИРЭ РАН, ИЭФ УрО РАН, ИЛФ СО РАН, ИХВВ РАН, ИПФ РАН, ФИРЭ РАН) Достигнутые результаты, безусловно, являются результатами мирового уровня, свиде тельством чему является полноценное участие нашей страны (представленной институтами РАН) в международных проектах по созданию уникальных лазерных установок. Крупней шими из таких проектов являются проекты ELI (Extreme Light Infrastructure), IZEST (International Center for Zetta-Exawatt Science and Technology) и HiPER (High Power laser En ergy Research). Кроме того были продолжены работы по проекту мега-сайенс XCELS (Exawatt Center for Extreme Light Studies), целью которого является создание лазерного ком плекса субэкзаваттного уровня. В настоящее время идут переговоры об объединении проек тов ELI и ЦИЭС в один проект, реализуемый на территории России.

В данном отчете представлены наиболее важные результаты по всем проектам Программы.

НАПРАВЛЕНИЕ 1:

Мульти-петаватные и субэкзаваттные лазеры Проект 1.1. 10-петаваттный лазерный комплекс на основе сверхширокополосного усиления в кристаллах DKDP (Руководитель проекта: Е.А. Хазанов, ИПФ РАН) В 2012 году работа по созданию 10-петаваттного лазерного комплекса велась над соз данием следующих устройств: адаптивная система на основе деформируемого зеркала, про странственный фильтр уникальной конструкции, ахроматический пространственный фильтр с компенсацией сферической аберрации, вакуумный компрессор с чистой апертурой 20 см.

Кроме того разработан проект класса мега-сайенс XCELS включенный в число шести россий ских проектов для реализации на территории страны в предстоящее десятилетие.

Адаптивная система на основе деформируемого зеркала. В рамках проекта в тес товом режиме была апробирована адаптивная система, состоящая из управляемого де формируемого зеркала, высоковольтного блока управления актюаторами, датчика волно вого фронта, масштабирующего безаберрационного ахроматического телескопа и компь ютера, посредством которого осуществляется управление зеркалом. В непрерывном или частотном (1 Гц) режиме на пьезооптические актюаторы деформируемого зеркала подает ся напряжение, приводящие к искривлению поверхности зеркала, соответствующему по ловине измеренных искажений с обратным знаком. В таком режиме коррекция стацио нарного во времени волнового фронта происходит за одну итерацию. Также предусмотрен режим, в котором итерационно производится оптимизация формы фокального пятна. Та кой режим позволяет оптимизировать качество фокусировки непосредственно в мишен ной камере и исключить аберрации, связанные с элементами, располагающимися между датчиком волнового фронта и фокусирующей системой.

Экспериментально показано снижение среднеквадратичного отклонения фазового фронта от идеального с величины /3 в некомпенсированном состоянии до величины / для непрерывного зондирующего излучения, проходящего через оптический тракт систе мы и снижение до /15 для сигнального широкополосного излучения в частотном режиме (1 Гц, 30 мДж). Значения среднеквадратичного отклонения как для зондирующего, так и для сигнального излучения после компенсации находятся в рамках критерия Марешаля для безаберрационности излучения (число Штреля более 0.8).

Ахроматический пространственный фильтр с компенсацией сферической абер рации. При выполнении проекта экспериментально проведено сравнение параметров из лучения, на выходе пространственных фильтров различной длины, располагавшихся по сле финального каскада наносекундного 300 Дж лазера накачки петаваттного параметри ческого комплекса PEARL. Важно отметить, что конструкции всех фильтров оригинальны и позволяют в полной мере, при сохранении масштабного коэффициента, управлять гео метрической расходимостью излучения, компенсировать астигматизм и управлять степе нью пространственной фильтрации. Предметом исследования являлось влияние аберра ций, вносимых сферическими линзами на коэффициент его пропускания, выходное фазо вое распределение и КПД удвоения частоты в нелинейном кристалле.

В экспериментах сравнивались два телескопа с входной апертурой 100 мм и выход ной апертурой 130 мм со сферическими линзами. Первый телескоп длиной 9 м обеспечи вал, согласно критерию Марешаля, дифракционное качество излучения, второй – 2-х мет ровый, вносил сферические аберрации с амплитудой отклонения порядка 0.7. Фильтр ис следовался при энергиях импульса 300 Дж, чтобы реально учесть возможные негативные эффекты, связанные с ионизацией в области диафрагмы.

Проведены экспериментальные измерения коэффициента пропускания фильтра, ам плитуды аберраций, КПД удвоения частоты. Показано, что использование короткого фильтра не приводит к заметному падению КПД удвоения и не сказывается на качестве фазового и амплитудного фронта удвоенного излучения. Проведенные исследования по казали возможность уменьшения геометрической длины лазера накачки в 2-3 раза без ис пользования дорогостоящей асферической оптики, тем самым открывая возможность раз мещения на той же площади дополнительных усилительных каскадов, а, следовательно, увеличения мощности излучения.

Рис. 1. Искажения фазового фронта сигнального излу- Рис. 2. Фото линзового дублета чения, до (слева) и после (справа) компенсации при по- в разобранном виде.

мощи адаптивной системы Ахроматический безабберационный пространственный фильтр расположен ме жду оконечным параметрическим усилителем и компрессором оптических импульсов.

Фильтр предназначен для увеличения предельной энергии, которую способен пропустить компрессор без повреждения решеток, как за счет увеличения размера сигнального пучка, так и за счет улучшения качества пучка связанного с пространственной фильтрацией и переносом изображения. Во избежание пробоя воздуха в области перетяжки, фильтрую щая диафрагма помещена в вакуумную кювету. Входной и выходной объективы фильтра являются одновременно вакуумными окнами кюветы, при этом для минимизации хрома тической и сферической аберрации в них используются двухкомпонентные объективы.

Нами были рассчитаны и созданы линзы объективов фильтра, разработаны и созданы сис темы их вакуумного крепления и юстировки с необходимой для минимизации аберраций субмиллиметровой точностью. Была разработана и создана система позиционирования диафрагмы в вакууме, обеспечивающая необходимую точность установки 10 мкм по про дольной координате и 2 мкм по поперечной. В настоящее время осуществляется прецизи онная настройка объективов для минимизации их хроматической аберрации.

Вакуумный компрессор мульти-петаваттного уровня на основе дифракцион ных решеток апертурой 240 х 430 мм. Согласно расчетам угол падения на первую ре шетку компрессора составляет 43, база (расстояние между решетками) 170 см. Компрес сор собран на специально изготовленном оптическом столе, помещнном в вакуумную камеру. Из-за высокой интенсивности излучения давление в камере не выше 10-5 Торр.

Камера имеет длину более 5 м, диаметр 1 м. Для ввода чирпированного сигнального излу чения, а также для вывода скомпрессированного излучения с целью диагностики и кон троля его пространственно-временных характеристик используются рабочие окна вакуум ной камеры. Они изготовлены из стекла марки К-8 с просветляющим широкополосным покрытием на длину волны 910±50 нм и имеют чистую апертуру 250 мм. Для настройки компрессора спроектирована, изготовлена и реализована оптическая схема, позволяющая контролировать взаимные угловые положения решеток компрессора: параллельность их рабочих поверхностей и направления штрихов, а также углы падения пучка сигнального излучения на решетки.

Основные оптико-механические узлы компрессора имеют возможность как ручного, так и дистанционного управления от компьютера. Это позволяет осуществлять как быст рую предварительную настройку элементов компрессора, так и точную подстройку пара метров выходного излучения. Трансляторы и поворотные устройства снабжены шаговыми двигателями с редукторами, обеспечивающими минимальный шаг – единицы микромет ров и минимальный поворот – единицы угловых секунд для всех четырех существенных степеней свободы дифракционных решеток. Измерение длительности осуществлялось с помощью одноимпульсного автокоррелятора, основанного на неколлинеарной генерации второй гармоники сигнального излучения. Были зарегистрированы длительности импуль сов короче 60 фс.

Разработана концепция проекта класса мега-сайенс - экзаваттного лазерного комплекса – проект XCELS. Проект основан на достижениях в создании самых мощных в мире петаваттных параметрических усилителей света PEARL и ФЕМТА и базируется на отечественных технологиях выращивания широкоапертурных нелинейно-оптических кри сталлов DKDP, создания килоджоульных наносекундных твердотельных лазеров накачки, а также на использовании передовых методов адаптивной оптики для когерентного сум мирования мощных лазерных пучков. XCELS включен в число шести российских проек тов класса мега-сайенс для реализации на территории страны в предстоящее десятилетие.

Субэкзаваттный лазер, существенно превосходящий по мощности излучения уровень самых мощных из имеющихся, строящихся или проектируемых лазерных комплексов в мире, будет основан на технике оптического параметрического усиления частотно модулированных лазерных импульсов (ОРСРА) петаваттной мощности, разработанной в Институте приклад ной физики РАН. Комплекс будет включать 12 одинаковых каналов, в каждом из которых будет генерироваться импульс с энергией 300-400 Дж, длительностью 20-30 фс, максималь ной интенсивностью при фокусировке более 1023 Вт/см2. Каналы работают по схеме парамет рического усиления в кристаллах KD*P c апертурой оконечных каскадов 3030 см2.

Предполагается, что оптические импульсы в лазерных модулях субэкзаваттного комплекса будут сфазированы с точностью до сотых долей периода световой волны (10-16 с). Первой фазой проекта будет создание в ИПФ РАН двух таких модулей с мощно стью 15 ПВт каждый на основе параметрического усиления в кристаллах KD*P. Это по зволит не только создать надежный прототип модуля ЦИЭС, но и решить принципиаль ные вопросы, связанные с фазировкой каналов, а также с отработкой диагностического оборудования для приложений. В дальнейшем по отработанной технологии будут собра ны и размещены во вновь построенном здании международного центра 12 каналов основ ного лазерного комплекса ЦИЭС. Излучение, полученное на выходе лазерного комплекса, будет иметь следующие параметры: мощность 200 ПВт, длительность импульса 25 фс, длина волны 910 нм, расходимость не более 3 дифракционных пределов.

0, Эффективность 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0 50 100 150 200 250 Энергия основной гармоники (Дж) Рис. 3. КПД преобразования во вторую гармони- Рис. 4. Фото компрессора ку при использовании короткого (треугольники) пространственного фильтра и обычного (точки) Публикации и выступления на конференциях по результатам работ 1. Exawatt Center for Extreme Light Studies (XCELS). http://www.xcels.iapras.ru/ 2. А.А. Kuzmin, D.E. Silin, A.A. Shaykin, I.E. Kozhevatov, E.A. Khazanov, "Simple method of measurement of phase distortions in laser amplifiers", Journal of the Optical Society of America B, 2012, Vоl. 29, № 6, 1152-1156.

3. И.В. Яковлев, "Особенности настройки компрессора чирпированных импульсов", Квантовая электрони ка, 42 (11), 996–1001, 2012.

Проект 1.2. Разработка базовых принципов создания лазерной системы ультрарелятивистской интенсивности на основе когерентного сложения оптических полей с фазовой синхронизацией по оптическим часам (Руководители проекта: С.Н. Багаев, В.И. Трунов, ИЛФ СО РАН) В настоящее время, когерентное сложение полей мощных лазерных импульсов явля ется одним из наиболее перспективных методов генерации излучения ультрарелятивист ской интенсивности. При этом проблема синхронизации фазовых параметров излучений в многоканальной лазерной системе может быть решена методом активной стабилизации спектрально-фазовых параметров усиленных пучков по единому оптическому стандарту.

В рамках данного этапа проекта выполнялись работы по сравнительному анализу требований на параметры пучков (пространственное и угловое рассогласование, относи тельный временной джиттер, пространственные неоднородности и.т.д.) для реализации различными способами высокоэффективного когерентного сложения в двухканальной фемтосекундной мощной лазерной, системе, развиваемой в ИЛФ СО РАН. Разрабатывае мая система основана на неколлинеарном сверхширокополосном параметрическом усиле нии малопериодных фемтосекундных импульсов в большеразмерных кристаллах BBO и LBO при пикосекундной накачке (частота следования импульсов 10Гц и допускает увели чение частоты следования ваше кГц). Изучены изменения пространственно – фазовых па раметров в процессе параметрического усиления. Для этого развита методика и выполне ны работы по трехмерному моделированию параметрических каскадов усиления малопе риодных фемтосекундных импульсов с учетом углового спектра излучения импульсов на качки пикосекундной длительности, тепловых эффектов, дисторсии волнового фронта вносимой нелинейно-оптическими кристаллами. Показано, что процесс параметрического усиления в режиме насыщения может давать существенный вклад в фазовый набег, кото рый необходимо учитывать при разработке системы стретчер-компрессор. Определены требования на размеры и угловой спектр пространственных неоднородностей излучения накачки параметрических каскадов усиления, позволяющие обеспечить высокую эффек тивность когерентного сложения.

Проанализированы и определены требования на основные параметры складываемых излучений, влияющие на возможность реализации и эффективность когерентного сложе ния среди которых относительный джиттер, угловая нестабильность, фазовые аберрации, дисперсионные эффекты. Показано, что наиболее критичными факторами являются отно сительный временной джиттер и угловая нестабильность складываемых излучений.

В рамках проекта впервые экспериментально продемонстрирована принципиальная возможность когерентного сложения параметрически усиленных фемтосекундных им пульсов. Ранее когерентное сложение усиленных фемтосекундных импульсов было реали зовано только с использованием волоконных каскадов усиления. Когерентное сложение излучений после объемных лазерных каскадов усиления, к настоящему времени, реализо вано лишь для непрерывного режима и в системе с обращением волнового фронта для на носекундного режима. Последнее связано с тем, что в лазерных усилителях типичные аберрации, обусловленные тепловыми эффектами, связанными с поглощением излучения накачки, на порядок превышают требования (~0,3 рад) для эффективного когерентного сложения. При параметрическом усилении поглощение практически отсутствует и абер рации связанные с ним минимальны ( 0.01рад). Поэтому многоканальные лазерные сис темы на основе каскадов параметрического усиления наиболее перспективны для реали зации когерентного сложения.

Экспериментально когерентное сложение импульсов с энергией 1-3 мДж с эффек тивностью более 90% после каскадов параметрического усиления реализовано с исполь зованием сферического зеркала и разработанной нами прецизионной электронно оптической схемы стабилизации относительного временного джиттера (рис. 1).

Рис. 1. Схема экспериментальной установки по реализации когерентного сложения В схеме, в качестве задающего лазера, используется Ti:Sa лазер Fusiоn (FemtoLasers) с центральной длиной волны 800 нм (длительность ~10 фс). Система стретчер-компрессор включает стретчер на основе дифракционных решеток (растягивает импульсы с 10 фс до 40 пс) и объемный компрессор на основе стекла ТФ-18. Параметрическое усиление в каждом канале реализовано в двухпроходной схеме в кристаллах ВВО (ПУ1, ПУ2) при накачке частью излучения 4-х канальной пикосекундной лазерной системы (532 нм, 90 пс, 600 мДж.). Пространственные профили усиленного излучения и излучения в области ко герентного сложения представлены на рис. 2.

1 канал 2 канал когерентное сложение Рис. 2. Пространственные профили начальных и когерентно сложенного пучков Согласно проведенному анализу, в наших экспериментах эффективность когерентного сложения ограничивалась точностью компенсации дисперсии в складываемых каналах.

Таким образом, впервые экспериментально реализовано когерентное сложение па раметрически усиленных фемтосекундных импульсов. Проведнный анализ и экспери ментальные данные подтверждают отсутствие принципиальных ограничений на масшта бирование по интенсивности методом когерентного сложения мощной лазерной системы, развиваемой в ИЛФ СО РАН.

В рамках проекта также выполнены работы по развитию экспериментальной базы двухканальной фемтосекундной лазерной системы, создаваемой в ИЛФ СО РАН. Разрабо тана схема широкополосной системы стретчер-компрессор позволяющая проводить мас штабирование по энергии усиленных импульсов, на основе стретчера с отражательными голографическими дифракционными решетками, акустооптического формирователя ульт ракоротких импульсов и компрессора с использованием пропускающих дифракционных решеток и чирпованных зеркал.

Смонтирована пикосекундная лазерная система для накачки второго мультитера ваттного канала и компоненты каскадов усиления этого канала (рис. 3).

Рис. 3. Двухканальная лазерная система ИЛФ СО РАН Публикации и выступления на конференциях по результатам работ 1. С.А. Фролов, В.И. Трунов, Е.В. Пестряков, А.В. Кирпичников, В.В. Петров, "Оптимизация каскадов параметрического усиления петаваттной малопериодной лазерной системы на основе кристаллов BBO и LBO", Оптика атмосферы и океана. 2012. Т. 25, № 03. С. 278-284.

2. S.N. Bagaev, V.I. Trunov, S.A. Frolov, E.V. Pestryakov, V.E. Leschenko, A.E. Kokh, V.A. Vasiliev, "Devel opment of ultrarelativistic laser system based on coherent combining of parametrically amplified beams locked by optical clock", 21 annual International Laser Physics Workshop (LPHYS'12) 23-27July 2012, Calgary. Can ada, Summaries LPHYS'12, (СD) p.15.

3. V.I. Trunov, S.N. Bagayev, E.V. Pestryakov, S.A. Frolov, V.E. Leschenko, A.V. Kirpichnikov, A.E. Kokh, V.V. Petrov, V.A. Vasiliev, "Ultrarelativistic laser systems based on coherent beam combining", AIP Conf.Proc,18-22, 2012.

4. S.N.Bagaev, V.I. Trunov, S.A. Frolov, E.V. Pestryakov, V.E. Leschenko, A.E. Kokh, V.A. Vasiliev, "Coherent combining of parametrically amplified femtosecond pulses", XV International conference on Laser Optics, LO 2012, St. Petersburg, Russia, June 25-29, 2012, Technical program, TuR1-07, p.16;

Summaries LO-2012 (СD) paper: r5_0481_Trunov.

5. S.A. Frolov, V.I. Trunov, E.V. Pestryakov, V.E. Leschenko, "Influence of beam inhomogeneties on parameters of petawatt-class laser system based on cascaded broadband OPCPA", XV International conference on Laser Optics, LO-2012, St. Petersburg, Russia, June 25-29, 2012, Technical program, TuR5-07, p.16;

Summaries LO 2012 (СD) paper: r5_0483_Frolov.

6. С.Н. Багаев, В.И. Трунов, Е.В. Пестряков, В.Е. Лещенко, А.Е. Кох, С.А. Фролов, В.А. Васильев, "Высокоинтенсивные лазерные системы на основе когерентного сложения", Сборник трудов VII Международной конференции «Фундаментальные проблемы оптики – 2012». Санкт-Петербург. 15- октября 2012 / Под ред. проф. В.Г. Беспалова, проф. С.А. Козлова.– СПб: НИУИТМО, 2012– 571 с.: с ил., С.432.

Проект 1.3. Разработка ключевых технологий развития гибридных (твердое тело/газ) петаваттных систем видимого диапазона на основе фотохимических усилителей (Руководитель проекта: Л.Д. Михеев, ФИАН) В отчетный период были продолжены работы по разработке гибридной концепции создания фемтосекундных систем видимого диапазона на основе конечного XeF(C-A) усилителя с оптической накачкой.

1. В гибридной системе THL-100 (ИСЭ СО РАН) достигнута выходная энергия 1 Дж отрицательно чирпированного импульса длительность 1 пс и осуществлено сжатие им пульса в объеме кварцевого стекла до 50 фс на уровне выходной энергии 0.7 Дж (Рис. 1).

Таким образом достигнута рекордная для видимого диапазона пиковая мощность 14 ТВт.

Рис. 1. Схема эксперимента по компрессии усиленного импульса в кварцевом стекле (слева), автограф лазерного пучка на фотобумаге (в центре) и автокорреляционная функ ция фемтосекундного импульса после компрессии в кварцевом стекле (справа) 2. Измерен уровень усиленного спонтанного излучения (УСИ) конечного XeF(C-A) усилителя с полным коэффициентом усиления малого сигнала 510 3. Измерения проводи лись при перекрытом фемтосекундном импульсе на входе усилителя. В угле 10 -4 рад, что существенно превышает дифракционный угол лазерного излучения, мощность УСИ со ставила ~30 Вт со всей апертуры усилителя. При проектной пиковой мощности системы 100 ТВт полученное значение соответствует временному контрасту 310 12, что близко к наилучшим результатам, полученным в твердотельных системах.

3. Разработан нелинейный метод сокращения стартового фемтосекундного импульса до 27 фс. При этом показано, что с помощью настройки дифракционных решеток ком прессора стартового Ti:Sa комплекса можно с достаточной точностью скомпенсировать дисперсию третьего порядка и обеспечить обратное временное сжатие в объеме стекла 27 фс импульсов, отрицательно чирпированных в призменной паре до 1 пс.

4. При исследовании предельных значений плотности мощности, при которых воз можна компрессия усиленных импульсов в кварцевом стекле, обнаружено новое явление уширения спектра и самокомпрессии при нелинейном взаимодействии отрицательно чир пированных фемтосекундных импульсов с оптическими материалами, обладающими нор мальной дисперсией и кубической нелинейностью. На Рис. 2 приведена схема проведения исследований. Исходный спектрально ограниченный импульс длительностью 70 фс отри цательно чирпировался с помощью призменной пары до 160 фс и после фокусировки па дал на поверхность кварцевой пластинки толщиной 2.3 мм. Рис. 3 демонстрирует поведе ние длительности и спектра излучения, прошедшего через пластинку, при различных ин тенсивностях падающего излучения.

Рис. 2. Схема проведения экспериментов: 1 – Ti:Sa комплекс, 2 – удвоитель частоты, 3 – постранственный фильтр, 4 – призменная пара, 5 – образец, 6, 8 – спектрометры, 7 – калориметр, 9 – автокоррелятор Рис. 3. Сокращение длительности (верхний ряд) и уширение спектра (нижний ряд) фемтосекундного импульса в зависимости от интенсивности излучения, падающего на образец из кварцевого стекла толщиной 2.3 мм Наиболее вероятное объяснение природы уширения спектра состоит в совместном действии фазовой самомодуляции и четырхволнового смешения. Подтверждением служит корреляция значений расстояния между пиками в спектрах, полученных экспериментально и вычисленных с учетом фазовой самомодуляции при различных интенсивностях (Рис. 4 и Таб. 1).

3.7nm Рис. 4. Численный расчт спектра отрицательно чирпированного импульса после воз действия на него нелинейной фазы (слева) и экспериментально полученный спектр (справа) для интенсивности 0.7 ТВт/см Таблица 1.

Экспериментальные и теоретические значения расстояния между пиками в спектре при разных интенсивностях.

Интенсивность, ТВт/см2 0.4 0.7 1. Эксперимент, нм 4.7 3.8 2. Теория, нм 4.6 3.7 3. Полученные результаты открывают перспективу разработки новых методов нели нейной самокомпрессии широкоапертурных пучков фемтосекундного излучения в опти ческих материалах, которые свободны от физических ограничений на энергию в импуль се, характерных для известных методов самокомпрессии в филаментах и газонаполненных капиллярах.

Публикации и выступления на конференциях по результатам работ 1. С.В. Алексеев, А.И. Аристов, Н.Г. Иванов, Б.Н. Ковальчук, В.Ф. Лосев, Г.А. Месяц, Л.Д. Михеев, Ю.Н. Панченко, Н.А. Ратахин, "Мультитераваттная фемтосекундная система THL-100 гибридного типа на основе фотодиссоционного XeF(C-A)-усилителя видимого диапазона", Квантовая электроника, (2012) 377.

2. А.И. Аристов, Я.В. Грудцын, Л.Д. Михеев, А.В. Поливин, С.Г. Степанов, В.А. Трофимов, В.И. Яловой, "Нелинейная самокомпрессия отрицательно чирпированных фемтосекундных импульсов в кварце", Квантовая электроника, 42 (2012) №12 (в печати).

3. S. Alekseev, A. Аristov, Ya. Grudtsin, S. Stepanov, D. Protasenja, A. Polivin, N. Ivanov, B. Kovalchuk, V. Losev, S. Mamaev, G. Mesyats, L. Mikheev, Yu. Panchenko, N. Ratakhin, M. Sentis, V. Trofimov, O. Uteza, V. Tcheremiskin, V. Yalovoy, "Hybrid (solid/gas) blue-green fs laser systems: proof-of-principle experiments", International Committee on Ultra-high Intensity Lasers (ICUIL2012 Conference), September 16 - 21, 2012, Mamaia,Romania.

НАПРАВЛЕНИЕ 2:

Субпетаваттные лазеры с высокой частотой повторения импульсов Проект 2.1. Разработка субпетаваттной фемтосекундной твердотельной лазерной системы с высокой средней мощностью (Руководители проекта: Е.В. Пестряков, В.В. Петров, ИЛФ СО РАН) В рамках проекта проведены исследования по разработке элементной базы субпета ваттной фемтосекундной твердотельной лазерной системы, работающей с высокой часто той повторения при оптической синхронизации канала параметрического усиления фем тосекундных импульсов в нелинейно-оптических кристаллах группы боратов и пикосе кундного канала накачки параметрических усилителей на основе активных иттербиевых средах, накачиваемых излучением лазерных диодов.

Разработаны конфигурации оптических схем и проведены расчеты поэтапного уве личения выходной мощности канала усиления от тераваттного до мультитераваттного уровня на основе параметрического усиления в кристаллах трибората лития при пикосе кундной накачке. Кристаллы LBO являются наиболее перспективными для использования в канале параметрического усиления, поскольку по оптическому качеству в видимом и ближнем ИК диапазонах спектра, спектральной ширине синхронизма и нелинейной эф фективности превосходят кристаллы DKDP, уступая им только по габаритным размерам.

Кроме того, важным является использование для параметрического процесса усиления спектрально широполосных импульсов элементов из нелинейно-оптических кристаллов, у которых предельно низкое поглощение как в области спектра усиления сигнальных час тот, так и в области спектра холостых частот. По сравнению с кристаллом DKDP у кри сталла LBO коэффициент усиления по мощности выше в 3 раза, теплопроводность больше в 1.7 раза, а коэффициент поглощения ниже почти на порядок и составляет 0.0001 см-1 в области спектра усиления 700-1400 нм.

Показано, что при стартовом импульсе гауссова временного и пространственного профиля с шириной спектра 300 нм на центральной длине волны 1030 нм при энергии нДж тераваттный уровнь мощности (11 мДж, 11 фс) достигается при использовании одно кристальной 2-х проходной схемы. При этом размеры кристалла LBO (LiB3O5) составляют 5х5х10 мм, интенсивность накачки (515 нм) с гипергауссовым пространственным профи лем 4-ого порядка не превышает 8 ГВт/см2 (порог пробоя 20 ГВт/см2) при длительности 15 пс и энергии 60 мДж.

Для достижения в канале параметрического усиления мощностей мультитераваттно го уровня (10-100 ТВт) необходимы 2-х кристальные схемы конфигурации, представлен ной на Рис. 1.

Рис. 1. Блок-схема параметрического усиления до уровней мощности 10 и 100 ТВт Уровень 10 ТВт (10.4 фс, 110 мДж) – кристаллы LBO-1 длиной 1 см, 2 прохода, на качка 6 мДж и LBO-2 длиной 0.7 см, 1 проход, накачка 0.5 Дж.

Уровень 100 ТВт (10.6 фс, 1 Дж) – кристаллы LBO-1, LBO-2 той же длины и с тем же количеством проходов, накачка первого каскада импульсами (15 пс) с энергией 60 мДж, второго – 5 Дж.

Во всех случаях угол неколлинеарности составлял величину – 1.30.

Спектры начальных и усиленных импульсов на каждом этапе усиления, спектры усиленной и холостой волны на выходе системы при усилении до 100 ТВт приведены на Рис. 2.

Рис. 2. Спектры усиленных импульсов для лазерной системы 100 ТВт, слева – для усиленной волны в зависимости от количества проходов, справа – для усиленной и холостой волны на выходе из системы Исследования показали, что для эффективного формирования пикосекундного излу чения в канале накачки с использованием лазерных диодов актуален поиск иттербиевых нанокерамических сред со структурным разупорядочением, у которых неоднородная часть уширения спектральных полос поглощения и усиления не зависит от температуры.

В работах, проводимых совместно с ИЭФ УрО РАН, выполнялись экспериментальные ис следования лазерных нанокерамик на основе полуторных оксидов Lu2O3, Y2O3, Sc2O3, ак тивированных трехвалентными ионами иттербия. Наиболее интересные результаты были получены на новой лазерной керамике смешанного состава [Lu0,24Y0,75Yb0,01)2O3]0,88[ZrO2]0,12 (Рис. 3).

(а) (б) Рис. 3. Фотография лазерного элемента (а) и зависимость выходной мощности (CW) Yb:[n(Lu,Y)2O3 -m ZrO2] лазера от поглощенной мощности накачки – (б) Впервые на данной активной среде при диодной накачке в непрерывном режиме реализована генерация вынужденного излучения в области 1034 нм с дифференциальным КПД 30%.

Результаты экспериментальных исследований активных сред легли в основу разра ботки криогенного стартового генератора импульсов с длительностью импульсов 200 фс.

В канале параметрического усиления исследовано обогащение спектра излучения стартового фемтосекундного генератора при распространении в высоконелинейном опти ческом волокне со сглаженной дисперсией DF-HNLF (длина 2 м, эффективная площадь сечения – 11.7 мкм2, нелинейный коэффициент 11.5 Вт-1·км-1). Достигнуто 10-и кратное увеличение спектральной ширины полосы стартового излучения, что достаточно для фор мирования импульсов длительностью 10 фс.

В канале накачки параметрического усилителя в криогенном режиме при непрерыв ной 30 Вт накачке на выходе регенеративного Yb:KYW-усилителя были получены им пульсы с энергией до 1 мДж при частоте повторении 1000 Гц. Для достижения выходной энергии усиленных импульсов 100-150 мДж в канале параметрического усиления прове ден расчет дополнительного многопроходного усилителя мощности с диодной накачкой киловаттного уровня. Показано, что для усилителя на Yb:Y2O3-нанокерамике эффектив ность накачки при понижении температуры до криогенных значений возрастает с 52% (300 K) до 65% (77 K). Определены требования на размеры элементов из нелинейно оптических кристаллов LBO в мультитераваттном и субпетаваттном каскадах. Показано, что апертура элементов при этом достигает величины 100 мм.


Публикации и выступления на конференциях по результатам работ 1. В.В. Петров, Е.В. Пестряков, В.И. Трунов, А.В.Кирпичников, М.А. Мерзляков, А.В. Лаптев, "Разработка криогенной лазерной системы на керамике, активированной ионами иттербия, с диодной накачкой", Оптика атмосферы и океана, Т.25, №3, 2012, С. 285-291.

2. А.В. Лаптев, Е.В. Пестряков, В.В. Петров, В.И. Трунов, А.В. Кирпичников, М.А. Мерзляков, К.В. Поляков, "Термооптические эффекты в лазерных кристаллах и керамиках, активированных Yb3+, при диодной накачке", Оптика атмосферы и океана, Т.25, №3, 2012, С.260-263.

3. S.N. Bagayev, V.V. Osipov, V.A. Shitov, E.V. Pestryakov, V.S. Kijko, R.N. Maksimov, K.E. Lukyashin, A.N. Orlov, K.V. Polyakov, V.V. Petrov, "Fabrication and optical properties of Y2O3-based ceramics with broad emission bandwidth, Journal of the European Ceramic Society", v. 32, 2012, P. 4257-4262.

4. В.В. Петров, Е.В. Пестряков, А.В. Лаптев, К.В. Поляков, В.В. Осипов, "Разработка стартового фемтосекундного генератора лазерной системы на керамике с диодной накачкой", Сборник трудов VII Международной конференции "Фундаментальные проблемы оптики – 2012", Санкт-Петербург. 15- октября 2012. Под ред. проф. В.Г. Беспалова, проф. С.А. Козлова.– СПб: НИУИТМО, 2012– 571 с.: с ил., С.428-430.

5. А.В. Лаптев, В.В. Петров, А.В. Кирпичников, Е.В. Пестряков, В.И. Трунов, В.Е. Лещенко, "Стретчер компрессор для мощной лазерной системы на средах, активированных ионами Yb3+, при диодной накачке", Сборник трудов VII Международной конференции "Фундаментальные проблемы оптики – 2012", Санкт-Петербург. 15-19 октября 2012. Под ред. проф. В.Г. Беспалова, проф. С.А. Козлова.– СПб:

НИУИТМО, 2012– 571 с.: с ил., С.446-447.

6. V.V. Petrov, E.V. Pestryakov, V.I. Trunov, S.A. Frolov, A.V. Kirpichnikov, M.A. Merzliakov, A.V. Laptev, K.V. Polyakov, "Design of optically synchronized CPA pumping and OPCPA channels of femtosecond diode pumped Yb-laser system", XV International conference on Laser Optics, LO-2012, St. Petersburg, Russia, June 25-29, 2012, Technical program, TuR1-07, p.16;

Summaries LO-2012 (СD) paper: r1_0296_Petrov.

7. A.V. Laptev, K.V. Polyakov, V.V. Petrov, E.V. Pestryakov, "Stretcher-compressor of high power femtosecond laser system based on diode pumped Yb3+-doped media", XV International conference on Laser Optics, LO 2012, St. Petersburg, Russia, June 25-29, 2012, Technical program, WeYS-p06, p.92;

Summaries LO- (СD)paper:YS_0521_Laptev.

Проект 2.2. Криогенный дисковый лазер с высокой средней (~1кВт) и пиковой (~1ТВт) мощностью для параметрической накачки мощного фемтосекундного лазера (Руководитель проекта: О.В. Палашов, ИПФ РАН) При создании лазерных систем с высокой частотой повторения и небольшой дли тельностью импульса ограничивающим факторами являются термонаведенные искажения излучения и самофокусировка. Поэтому наиболее оптимальной геометрией для активного элемента является дисковая геометрия, обеспечивающая высокую среднюю мощность лазеров и небольшую длину взаимодействия излучения с активной средой. Целью работы является создание криогенного лазера на дисках из Yb:YAG-керамики с высокой средней и пиковой мощностью. Система состоит из трех частей: генератора, предварительного усилителя (ПУ) и основного усилителя (ОУ). Сигнал из генератора энергией 2-3 мДж должен быть усилен в предварительном усилителе до 30-40 мДж, а затем, в основном уси лителе до ~ 500 мДж при частоте повторения 1 кГц. Охлаждение до криогенных темпера тур используется для повышения оптической эффективности лазера и частоты повторения импульсов.

Термодиффузионная сварка для изготовления композитных активных элементов.

Лимитирующими факторами в криогенных дисковых лазерах являются термонаведенные искажения и эффект усиленного спонтанного излучения [1]. Для подавления этих эффек тов наиболее целесообразно использовать композитные активные элементы, представ ляющие собой тонкий легированный диск для усиления излучения и приваренный к нему толстый нелегированный диск для отвода тепла и спонтанного излучения [2] (увеличение толщины активного элемента с 1 мм до 6 мм не приведет к значительному увеличению эффекта самофокусировки). Однако считается, что изготовление таких элементов требует дорогостоящего оборудования, а изготовленные образцы обычно характеризуются невы соким качеством.

Рис. 1. Внешний вид композитных Yb:YAG/YAG активных элементов диаметром 15 мм (а), а также микрофотография области сварки (а) и образец, разрушенный излучением накачки (б) Нами разработана новая методика термодиффузионной сварки тонкого диска из Yb:YAG и толстого диска из YAG (рис. 1). Обе части композитного элемента сажаются на предварительный контакт, а затем отжигаются при температуре ~ 11000С в течение 20 ча сов. Основным преимуществом данной методики является простота изготовления компо зитных активных элементов. Благодаря оригинальному способу организации предвари тельного контакта не требуется использование пресса, однородность контакта получается очень высокой. Эти преимущества позволяют говорить о возможности изготовления ши рокоапертурных активных элементов. На сегодняшний день изготовлено несколько об разцов диаметрами 10, 15 и 20 мм, в том числе образцы из Yb:YAG-керамики. Было вы полнено исследование качества сварки композитных активных элементов. На рис. 1б изо бражены микрофотографии области сварки. Толщина переходного слоя сравнима с шагом кристаллической решетки, что говорит о возможной диффузии материалов друг в друга.

Также оценена прочность сварки: активная часть образца нагревалась с помощью излуче ния накачки вплоть до разрушения образца (рис. 1в) и исследовалась топология разруше ний. В разрушенных образцах не было областей, на которых разрушение происходило бы вдоль плоскости сварки, что свидетельствует о том, что прочность сварки сильнее проч ности самого материала.

Высокоэффективная лазерная система с 30 мДж энергией в импульсе и килогерцо вой частотой повторения. Лазерная система (рис. 2а,б) используется в качестве предвари тельной части разрабатываемого килогерцового дискового лазера с суб-джоульной энер гией в импульсе. Излучение из генератора с энергией в импульсе 2-3 мДж подается в предварительный усилитель и усиливается до 30 мДж при частоте повторения 1 кГц. Для модуляции добротности в генераторе разработан («НТЦ МИСиС» [3]) акусто-оптический модулятор (АОМ) на основе плавленого кварца с рабочей апертурой 3 мм. Использование композитного активного элемента позволило в 2 раза увеличить оптическую эффектив ность генератора, а также значительно улучшить качество пучка. В дальнейшем в резона тор генератора будет инжектироваться излучение из пикосекундного дискового лазера для работы в режиме регенеративного усилителя.

Рис. 2. Внешний вид генератора (а), предварительного усилителя (б) и основного усилителя (в) Сильное тепловыделение приводит к кипению жидкого азота, что сильно уменьшает теплоотдачу от радиатора к азоту. Для подавления кипения разработана проточная систе ма подачи азота, что позволило троекратно увеличить мощность накачки в ПУ. Замена дискового активного элемента на композитный активный элемент, позволила значительно улучшить качество лазерного пучка, а также уменьшить термонаведенные искажения и подавить усиленное спонтанное излучение. Это позволило увеличить среднюю мощность накачки еще в два раза. В результате разработана лазерная система с энергией в импульсе 30 мДж и частотой повторения 1кГц (рис. 3а). Оптическая эффективность при этом соста вила 33% (рис. 3б), что является очень высоким результатом для импульсных лазерных систем. Так, в работе [4] получено более высокое КПД (45%), однако частота повторения составляла всего 1 Гц. Технологии, разработанные при создании предварительного усили теля, будут использованы в ОУ.

Основной усилитель (ОУ). Излучение из предварительного усилителя приходит в основной усилитель (рис. 2в). В качестве активных элементов в ОУ использовались два диска из Yb:YAG-керамики производства Nanyang Technological University, Singapore. Из лучение проходило по 4 раза через каждый кристалл. Таким образом, в ОУ было реализо вано усиление по слабому сигналу более 120 раз (рис. 4а) при частоте повторения импуль сов накачки 150 Гц. В режиме усиления сильного сигнала получено до 230 мДж энергии на выходе, что соответствует оптическому КПД около 20% (рис. 4б). Запасенная энергия в дисковых активных элементах ограничена эффектом усиленного спонтанного излучения, при использовании композитных активных элементов запасенную энергию можно будет увеличить в два раза, а усиление по слабому сигналу будет более 4000 раз(!) Это позволит увеличить энергию импульса на выходе из ОУ до энергии 500-600 мДж. К сожалению, дисковая геометрия активных элементов и отсутствие проточной системы охлаждения ог раничивали частоту повторения импульсов накачки 150-ю герцами при длительности им пульсов накачки 1.5 мс, скважность при этом составила 4.4. Применение проточной сис темы охлаждения и композитной геометрии активного элемента позволит перейти к не прерывному режиму накачки (и, соответственно, к килогерцовой частоте повторения им пульсов) в ОУ, что было продемонстрировано на примере работы ПУ.

а б Рис. 3. Зависимость энергии импульса (а) на выходе из ПУ и оптической эффективности ПУ (б) от мощности накачки а б Рис. 4. Зависимость коэффициента усиления (а) и выходной энергии (б) ОУ от энергии импульса накачки при частоте повторения 150 Гц. Линиями указана запасенная энер гия в дисковых (красная) и композитных (зеленая) активных элементах Первые результаты по измерению порога пробоя в используемых активных элемен тах показывают возможность усиления импульсов длительностью более 10 пс без пробоя.


С другой стороны, исследования спектра усиления в криогенно охлажденных Yb:YAG кристаллах [5] показывают, что в них можно усиливать импульсы длительностью до 2 пс.

При таких коротких длительностях можно реализовать стретчирование и компрессию им пульсов с помощью чирпирующих зеркал, надежно работающих при высокой средней мощности и обеспечивающих минимальные потери излучения, что позволит достичь суб тераваттного уровня средней мощности.

Цитируемая литература [1] J. Speiser, "Thin Disk Laser – Energy Scaling", ISSN 1054-660X, Laser Physics, 2009, Vol. 19, No 2, pp. 274-280.

[2] D. Kouznetsov and J. –F. Bisson, "Role of undoped cap in the scaling of thin-disk lasers", J. Opt. Soc. Am. B 25(3), 338-345 (2008).

[3] Сайт «НТЦ МИСиС» http://www.firmguide.ru/.

[4] J. Korner at all, "High-Efficiency Cryogenic-Cooled Diode-Pumped Amplifier with Relay Imaging for Nanose cond Pulse", HEC-DPSSL Technical Digest, 2010.

[5] И.Б. Мухин, О.В. Палашов, Е.А. Хазанов, and А.Г. Вяткин "Лазерные и тепловые характеристики кристалла Yb:YAG в диапазоне температур 80-300К", Квантовая Электроника, 41, 1045, 2011.

Публикации и выступления на конференциях по результатам работ 1. I.B. Mukhin, E. A. Perevezentsev, O.V. Palashov, "The new technique of thermal bonding for composite active elements fabrication", in Laser Optics - 2012 2012, p. ThR1-27.

2. I.B. Mukhin, E.A. Perevezentsev, O.L. Vadimova, I.I. Kuznetsov, O.V Palashov, E.A. Khazanov, "High efficient cryogenic disk laser with sub-joule energy level and kilohertz repetition rate", HEC-DPSSL workshop, 11-14 sept., Tahoe-City, W-02, 2012.

3. I. Kuznetsov, I. Mukhin, O. Palashov, "Specificity of developing of high power disk laser at cryogenic and room temperature conditions", in Laser Optics - 2012 2012, p. TuR1-0.

4. E.A. Perevezentsev, I.B. Mukhin, O.L. Vadimova, O.V. Palashov, E.A. Khazanov, "Sub-joule level cryogenic disk laser based on Yb:YAG ceramics", in Laser Optics – 2012, p. ThR1-35.

5. О.Л. Вадимова, И.Б. Мухин, О.В. Палашов, Е.А. Хазанов, Е.А. Перевезенцев, И.И. Кузнецов, "Особен ности расчета коэффициента усиления в криогенно охлаждаемых Yb:YAG дисках в условиях сильного тепловыделения", отправлено в Квантовую Электронику.

6. S.S. Balabanov, Yu.V. Bykov, S.V. Egorov, A.G. Eremeev, E.M. Gavrishchuk, E.A. Khazanov, I.B. Mukhin, O.V. Palashov, D.A. Permin, V.V. Zelenogorsky, "Transparent Yb:(YLa)2O3 ceramics produced by self propagating high-temperature synthesis and microwave sintering", Optical Materials, accepted to publication, 2012.

7. V.V. Zelenogorsky, I.B. Mukhin, O.V. Palashov, "Optical properties of Yb:(YLa) 2O3 ceramics, manufactured using self-propagating high- temperature synthesis and microwave sintering", in Laser Optics – 2012, 2012, p.

ThR3-p13.

8. O. Vadimova, I. Mukhin, O. Palashov, "Numerical modeling and experimental investigation of amplification in cryogenic disk laser at high thermal load", in Laser Optics – 2012, p. ThR1-36.

9. V.V. Zelenogorsky, S.S. Balabanov, Yu.V. Bykov, S.V. Egorov, A.G. Eremeev, E.M. Gavrishchuk, I.B. Mukhin, O.V. Palashov, E.A. Perevezentsev, D.A. Permin, "Investigation of spectroscopic properties and laser oscillation of oxides ceramics manufactured with SHS-MS method", HEC-DPSSL workshop, 11-14 sept., Tahoe-City, W-03, 2012.

10. I.B. Mukhin, I.I. Kuznetsov, O.V Palashov, E.A. Khazanov, "The high average and peak power mopa system based on cryogenically cooled Yb:YAG DISKS", in Laser Optics – 2012, 2012, p. ThR1-26.

11. I.B. Mukhin, E.A. Perevezentsev, O.V. Palashov, "Fabrication of composite active elements made of laser ceramics by thermal diffusion bonding method", 8th Laser Ceramics Symposium, 4-7 december, Nyzhny Novgorod, 2012.

12. E.A. Perevezentsev, I.B. Mukhin, O.L. Vadimova, O.V. Palashov and E.A. Khazanov, "Amplifier with high energy capacity and average power based on cryogenically cooled disk shaped Yb:YAG laser ceramics", 8th Laser Ceramics Symposium, 4-7 december, Nyzhny Novgorod, 2012.

13. O.L. Vadimova, I.B. Mukhin, O.V. Palashov, E.A. Perevezentsev, "Сomparison of energy storing in differen Yb-dopped laser ceramics”, 8th Laser Ceramics Symposium, 4-7 december, Nyzhny Novgorod, 2012.

14. V.V. Zelenogorsky, E.A. Perevezentsev, I.B. Mukhin, O.V. Palashov, "Optical properties of oxide ceramics", 8th Laser Ceramics Symposium, 4-7 december, Nyzhny Novgorod, 2012.

Проект 2.3. Разработка лазерной системы среднего ИК диапазона на основе параметрических усилителей для генерации мощных ультракоротких импульсов;

фемто- и аттосекундная спектроскопия сверхбыстрых процессов (Руководители проекта: А.В. Ким, М.Ю. Рябикин, ИПФ РАН) Лазерные системы, генерирующие ультракороткие импульсы в среднем ИК диапазо не с высокой энергией и средней мощностью, интересны как для изучения фундаменталь ных вопросов взаимодействия лазерного излучения с веществом, так и могут быть поло жены в основу сверхъярких источников аттосекундных импульсов в рентгеновском диа пазоне, а также источников ускоренных заряженных частиц. Ввиду отсутствия подходя щих широкополосных активных сред в среднем ИК диапазоне перспективным является построение лазерной системы на основе параметрического усиления фемтосекундных им пульсов в нелинейных кристаллах с накачкой волоконными и твердотельными лазерами.

I. В основу предлагаемой системы положена волоконная схема (рис. 1) генерации и формирования двух оптически синхронных во времени импульсов: первого - усиливаемо го в параметрическом усилителе импульса, и второго - мощного импульса накачки. Фото графия построенного прототипа задающей волоконной лазерной системы приведена на рис. 2.

Рис. 1. Схема задающей лазерной системы Источником задающих импульсов служит полностью волоконный фемтосекундный лазер с синхронизацией мод на длине волны 1.56 мкм. Ключевым элементом схемы явля ется преобразователь длины волны излучения на основе высоконелинейного световода со смещенной дисперсией (HNL-DSF), в котором происходит генерация импульсов в диапа зоне 1.6-1.8 мкм с длительностью 13 фс за счет эф фектов многосолитонного сжатия (спектр и форма импульса показаны на рис. 3 (а,в)), а также им пульсов длительностью ~50 фс в области 1 мкм за счет синхронного взаимодействия солитона высо кого порядка и дисперсионных волн. Коротковол новые импульсы далее растягиваются в волокон ном стретчере и усиливаются в трех каскадах на основе активных иттербиевых волокон, и, при не обходимости увеличения энергии, еще и в твердо тельном регенеративном усилителе, и будут ис пользоваться в качестве накачки параметрического Рис. 2. Фотография лазерной системы усилителя. Средняя мощность на выходе составля ет 0.6 Вт, что соответствует энергии импульса 0.6 мкДж при частоте повторения 1 МГц.

Импульсы сжимаются до длительности около 250 фс в решеточном компрессоре;

их спек тральная ширина, составляющая 11 нм, позволяет достичь длительности импульса ~150 фс при компенсации фазовых искажений. Спектр и восстановленная форма импульса показаны на рис. 3 (а) и (б) соответственно.

Рис. 3. Нормированные спектры и формы импульсов длительностью 13 фс в диапазоне 1.6-1.8 мкм (а, пунктирная линия, в) и усиленного импульса на длине волны 1 мкм (а, сплошная линия, б) Для получения сигнальной волны в диапазоне 2.2-2.9 мкм будет использована гене рация разностной частоты между импульсами на длинах волн 1 мкм и 1.6-1.8 мкм, либо холостая волна, генерируемая в предварительном маломощном параметрическом усили теле.

II. Для реализации программы создания лазерной системы, генерирующей импульсы фемтосекундной длительности с энергией не менее джоуля, следующих с частотой повто рения 1 кГц, необходимо решение задачи получения в канале накачки параметрических преобразователей импульсов наносекундной длительности с энергией до 5 Дж со средней мощностью в импульсно-периодическом режиме 5 кВт. В ряде работ в системах с диод ной накачкой активных элементов (АЭ) на основе Yb-YAG реализованы лазерные систе мы с энергетическими параметрами лазерного излучения, дающими основания к разра ботке поставленной задачи. Основные надежды в данных системах связаны с малой вели чиной стоксовых потерь энергии накачки и отсутствием каналов утечки запаснной энер гии в нагрев АЭ в Yb-YAG, а также с большим (10-3 с) временем жизни возбужднного состояния. Однако трудность задачи связана с малыми величинами сечений поглощения накачки и вынужденного излучения лазерного перехода, что усугубляется заметной вели чиной населнности нижнего рабочего уровня при комнатных температурах АЭ, приво дящей к сильному поглощению усиливаемого излучения на невозбужднных атомах.

Существует два различных подхода для преодоления указанных трудностей.

Первый подход связан с охлаждением кристалла Yb-YAG до температуры, близкой к температуре кипения жидкого азота (77°К), при которой происходит увеличение указан ных сечений примерно в 5 раз, без ухудшения других физических параметров АЭ. Однако такое охлаждение приводит также и к сужению линии усиления с 6 нм при комнатной температуре до 1 нм при 77°К, что делает невозможным усиление чирпованных до 3 нм наносекундных импульсов. Кроме того, усиление излучения до уровня 5 кВт неизбежно приведт к нагреву АЭ с мощностью 1 кВт, что потребует отвода данной мощности из АЭ. В настоящее время конструирование подобных криостатов основано на испарении жидкого азота. Даже отвлекаясь от трудностей такого конструирования, с учетом харак терных размеров АЭ 1 см легко рассчитать, исходя из величины удельной энергии испа рения жидкого азота 200 Дж/г, что работа криостата в течение часа приведт к расходу как минимум 20 кг азота. Этот факт снижает привлекательность подобных систем, несмотря на их высокий КПД.

Второй подход связан с использованием многоходовых по излучению накачки и ла зерного излучения систем при комнатных температурах и использованием традиционных высокоэффективных водяных систем охлаждения. В многопроходовых системах CW на качки происходит многократное увеличение плотности мощности излучения, что компен сирует малость сечения поглощения. Учитывая большую величину поглощаемой мощно сти, приводящую к неоднородности распределения температуры в АЭ и связанным с этим сильным оптическим искажениям и механическим напряжениям, приводящим к разруше нию АЭ, наиболее подходящей конфигурацией является дисковый АЭ с торцевым охлаж дением и накачкой.

В рамках данного проекта разработана численная модель таких усилителей, учиты вающая (1) временную нестационарность процесса накачки при частоте следования уси ливаемых лазерных импульсов 1 кГц, (2) насыщение перехода на частоте накачки, (3) многоходовость излучения накачки по двухпроходовому дисковому усилителю с учтом реальных коэффициентов просветления и отражения зеркал в многоходовом квантроне, (4) распределение населнностей по штарковским подуровням Yb при различных темпе ратурах и (5) динамику энергосъма в многопроходовом по лазерному излучению усили теле.

С помощью этой модели найдены оптимальные параметры системы. Основным ог раничивающим фактором при выборе этих параметров оказались приемлемые градиенты температуры, характеризуемые так называемым Thermal shock параметром. При расчте принимался трхкратный запас прочности по величине поглощаемой в кристалле мощно сти относительно разрушающего по расчту значения. Результаты приведены в таблице 1.

Из приведнной таблицы видно, что даже при температуре кипения жидкого азота оптимальная система вс равно остатся многопроходовой.

Таблица 1.

Число Число хо- Допуст Мощн. Погл.

прох. в дов накачки погл. Темп.

Wout Winp Sae Lae накачки мощн.

(см2) (Дж) (Дж) (см) лаз. по двух- мощн. (°K) (%) (Вт) (Вт) канале прох. диску (Вт) 52 50 0.03 0.05 11 150 65 16 15.6 14 10-3 10- 0.5 0.25 0.055 13 950 15 16 118 100 10- 4.8 0.5 2.5 0.055 13 10700 12 16 1180 1170 5 0.5 2.5 0.06 10 8500 3 4 1080 927 Приведнные расчты позволяют приступить к расчту конструкций теплообменни ков и конструированию оптических схем усилителей с дальнейшими их эксперименталь ными испытаниями.

III. Генерация высоких гармоник фемтосекундного лазерного излучения среднего ИК диапазона в газах позволяет с использованием компактных лазерных источников по лучать когерентное рентгеновское излучение с энергиями фотонов порядка или более 1 кэВ [T. Popmintchev et al., Science 336, 1287 (2012)]. Актуальной задачей является иссле дование поляризационных эффектов при генерации высоких гармоник. Использование таких эффектов, в частности, лежит в основе метода поляризационного затвора для выде ления одиночных аттосекундных импульсов. Управление состоянием поляризации гене рируемых рентгеновских импульсов важно для диагностики материалов (хиральные сре ды, магнитные материалы и структуры и др.) с нанометровым пространственным и фем тосекундным временным разрешением.

В рамках данного проекта проведены теоретические исследования генерации высо ких гармоник при взаимодействии эллиптически поляризованного лазерного ИК излуче ния с атомами. Получены аналитические выражения, описывающие влияние эллиптично сти накачки на эффективность преобразования частот, эллиптичность и углы поворота гармоник для случаев основного состояния с нулевым и ненулевым орбитальным угловым моментом. Продемонстрировано хорошее согласие полученных выражений с результата ми трехмерных численных квантовомеханических расчетов, а также с опубликованными экспериментальными данными.

На рис. 4 приведены результаты расчетов пороговой эллиптичности (эллиптичности лазерной накачки, при которой эффективность генерации гармоники в два раза ниже, чем для линейно поляризованной накачки) для различных номеров гармоник и для двух зна чений длины волны накачки.

(а) (б) Рис. 4. Пороговая эллиптичность как функция от номера гармоники для лазерного излуче ния с =800 нм (а) и 1300 нм (б), взаимодействующего с атомами аргона;

интенсивность ла зерного излучения 2.21014 Вт/см2. Представлены результаты аналитических расчетов для вкладов в сигнал гармоник, обусловленных «короткой» (сплошная линия) и «длинной»

(пунктирная линия) электронными траекториями, и результаты численных расчетов для «короткой» траектории. На рис. (а) приведены также результаты экспериментальных изме рений [I.J. Sola et al., Nature Phys. 2, 319 (2006)] для =800 нм Приведенные данные показывают, что пороговая эллиптичность убывает обратно пропорционально длине волны накачки. Это означает, что при использовании источников среднего ИК диапазона (вместо видимого или ближнего ИК диапазона) эффективность выделения одиночного аттосекундного импульса методом поляризационного затвора зна чительно повышается.

Публикации и выступления на конференциях по результатам работ 1. E.A. Anashkina, A.V. Andrianov, M.Yu. Koptev, S.V. Muravyev, V.M. Mashinsky, and A.V. Kim, "Generating tunable optical pulses over the ultrabroad range of 1.6-2.5 m in GeO2-doped silica fibers with an Er:fiber laser source", Optics Express, v.20, No 24, pp.27102-27107, 2012.

2. V.V. Strelkov, M.A. Khokhlova, A.A. Gonoskov, I.A. Gonoskov, and M.Yu. Ryabikin, "High-order harmonic generation by atoms in an elliptically polarized laser field: Harmonic polarization properties and laser threshold ellipticity", Phys. Rev. A, v.86, No 1, 013404, 2012.

3. Н.Ф. Андреев, К.В. Власова, В.С. Давыдов, С.М. Куликов, А.И. Макаров, С.А. Сухарев, Г.И. Фрейдман, С.В. Шубин, "Многокаскадные удвоители частоты широкополосного лазерного излучения", Квантовая электроника, т.42, №10, с.887-898, 2012.

4. В.В. Стрелков, М.Ю. Рябикин, В.Т. Платоненко, "Генерация аттосекундных импульсов при взаимодей ствии интенсивного лазерного излучения с веществом", УФН (направлено).

5. А.В. Андрианов, Е.А. Анашкина, С.В. Муравьев, А.В. Ким, "Разработка гибридной Er/Yb волоконной лазерной системы для генерации импульсов предельно короткой длительности в диапазоне длин волн 1.6-2.0 мкм, оптически синхронизированных с мощными импульсами вблизи 1 мкм", Квантовая элек троника (направлено в печать).

6. М.Ю. Емелин, М.Ю. Рябикин, "О возможностях использования лазеров среднего ИК диапазона для ге нерации высоких гармоник с субнанометровыми длинами волн в газах", Квантовая электроника (на правлено в печать).

7. M.Yu. Ryabikin, A.A. Gonoskov, I.A. Gonoskov, and V.V. Strelkov, "Quantum path interference in HHG:

impact on harmonic polarization and molecular imaging", Multiphoton Processes and Attosecond Physics:

Proceedings of the 12th International Conference on Multiphoton Processes (ICOMP12) and the 3rd International Conference on Attosecond Physics (ATTO3), Springer Proceedings in Physics, Vol. 125 (Kaoru Yamanouchi and Katsumi Midorikawa, Eds.), Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2012, pp.121-126.

НАПРАВЛЕНИЕ 3:

Лазерно-плазменное ускорение заряженных частиц до ультрарелятивистких энергий Проект 3.1. Разработка и создания компактного лазерного ускорителя протонов и электронов на основе петаваттного лазерного источника (Руководители проекта: А.А. Шайкин, ИПФ РАН, Н.Н. Салащенко, ИФМ РАН) В рамках выполнения проекта проводилось исследование процесса генерации пуч ков многозарядных ионов при взаимодействии лазерного излучения мультипетаваттной мощности с тонкими твердотельными структурированными мишенями. Мощные пучки многозарядных ионов являются важным инструментом в области ядерной физики и физи ки высоких плотностей энергии. В частности, на получение таких пучков направлен один из самых больших европейских научных проектов FAIR, в рамках которого предполагает ся использовать традиционные методы ускорения заряженных частиц. В то же время при менение современных лазерных систем могло бы значительно снизить стоимость необхо димого оборудования.

Несмотря на то, что методам лазерного ускорения было посвящено немало работ, в качестве ускоряемых частиц ранее практически не рассматривались многозарядные ионы.

В связи с этим в рамках проекта исследовался, во-первых, вопрос ионизации тяжлых ио нов, а во-вторых, особенности их ускорения лазерным излучением. Было показано, что в поле мультипетаваттного импульса происходит полная ионизация атомов с зарядом ядра вплоть до Z ~ 20. Степень ионизации более тяжлых ионов определяется структурой их электронных оболочек, так, атомы железа ионизируются до состояния Fe24+ в широком интерва ле интенсивностей. На примере ионов железа исследовался процесс ускоре ния полем разделения зарядов, возни кающем при отжатии электронов ми шени пондеромоторной силой цирку лярного лазерного импульса, падаю щего нормально к поверхности. Пу тм численного двумерного модели рования было показано, что при оп тимальном выборе параметров (плот ность плазмы и длительность им пульса) в результате взаимодействия может быть сформирован пучок ио нов с энергиями в районе 28 МэВ/нуклон и разбросом по энер гиям не превышает нескольких про центов. Выходная пиковая мощность пучков составляла величину около Результат численного моделирования процесса уско 100 ТВт (при входной мощности ла- рения пучка ионов Fe24+. (а) Профиль плотности пучка после окончания действия лазерного импульса.

зерного пучка около 5 ПВт), ионный (б) Пучок на фазовой плоскости (p, p ). (в) Распреде x y ток равнялся сотням кА, а эмиттанс ление ионов пучка по энергиям. (г) Распределение - пучка — 5х10 мм рад. Эти пара- ионов пучка по углам метры сравнимы с теми, которые планируется достигнуть на установке FAIR.



Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 6 |
 





 
© 2013 www.libed.ru - «Бесплатная библиотека научно-практических конференций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.