[ «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. ...»
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 руководительИПФ РАН
академик А.В. Гапонов-ГреховОТЧЕТ 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 сверхсильных 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 параметрами.
Программа включает 42 научных проекта, выполнявшихся в 19-ти институтах РАН: Институт 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 радиотехники 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 обеспечивается 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 отделений РАН.
В рамках направления "Мульти-петаватные и субэкзаваттные лазеры" на основе достижений 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 территории страны в предстоящее десятилетие. Проект базируется на отечественных технологиях выращивания широкоапертурных нелинейно-оптических кристаллов DKDP, создания килоджоульных наносекундных твердотельных лазеров накачки, а также на использовании передовых методов адаптивной оптики для когерентного суммирования мощных лазерных пучков. В ИЛФ СО РАН экспериментально продемонстрирована принципиальная возможность когерентного сложения параметрически усиленных фемтосекундных импульсов с длительностью 20-25 фс с эффективностью более 90% с помощью разработанной прецизионной электронно-оптической схемы стабилизации относительного временного джиттера. Проанализированы основные факторы, определяющие условия реализации когерентного сложения.
В ИСЭ СО РАН совместно с ФИАН в гибридной фемтосекундной системе достигнута рекордная 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 проведены расчеты поэтапного увеличения выходной мощности канала усиления до субпетаваттного уровня на основе параметрического усиления в кристаллах LBO при пикосекундной накачке. Реализован первый каскад усиления в канале накачки на базе регенеративного Yb:KYW усилителя с коэффициентом усиления до 106. В ИПФ РАН для криогенного дискового 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 охлаждения 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. Распределение 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. Проведенное 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 взаимодействия петаваттных лазерных импульсов со структурированными многокомпонентными мишенями. Как показали расчёты в результате взаимодействия интенсивного (около 5 ПВт) оптического излучения с фольгой может быть сформирован пучок многозарядных ионов пиковой 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 теоретическое обоснование новой схемы каналирования драйвера для лазер-плазменного кильватерного ускорения. Показано, что при контрасте лучше 106 возможен ввод до 85% энергии лазерного импульса в основную моду узкого круглого металлического капилляра, обладающую 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 длительности 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 поверхностного слоя при однократном воздействии на мишень с использованием пробного чирпированного импульса. Методика обеспечивает непрерывную регистрацию величины смещения поверхности образца от времени в интервале 0250 пс с временным разрешением 2 пс. С помощью этой методики проведены измерения динамики деформации и откольной прочности 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 длительностью 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 лазера в широкополосное ТГц излучение. Продемонстрирована возможность перестройки ТГц спектра путем изменения ширины воздушного зазора. Впервые экспериментально исследована генерация ТГц излучения при пробое воздуха двухчастотным лазерным излучением с мощной высокочастотной волной (800 нм) слабой низкочастотной (1600 нм). Измерены зависимости 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 разработаны фундаментальные основы лазерной технологии получения чистых линий млекопитающих - моделей болезней (например, диабета, заболевания нервной системы и т.п.). Проведение подобных операций альтернативными методами (механический микроманипулятор, пьезоманипулятор и т.д.) практически невозможно. В ОИВТ РАН на базе иттербиевого фемтосекундного лазера разработан метод локализованного и обратимого изменения проницаемости клеточной мембраны и введения в клетки внеклеточного материала. С помощью флуоресцентной микроскопии разработана методика диагностики заполнения клеток макромолекулами.
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 (стабильность 10-16 и выше). В ФИАН подтвердили возможность создания малогабаритного транспортируемого Сr:ZnSe/CH4 оптического стандарта на основе впервые зарегистрированых узких внутри допплеровских резонансов насыщенной дисперсии на синглетной Екомпоненте 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, малошумящих усилителей и оптоволоконных уширителей спектра для прецизионных мобильных 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. Предложен 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 опробована 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 характеристики, получена субкилогерцовая ширина линии «часового» лазера.
В ИСАН начаты исследования нанолокализованных источников фемтосекундного излучения на основе нано-отверстия в проводящем экране, облучаемом лазерным светом. Показано, что чрезвычайно высокая оптическая восприимчивость 3-го порядка в металлических нанострукрурах и наличие сильных плазмонных резонансов, позволяют реализовать эффективный нанолокализованный источник излучения на частоте генерации 3-й гармоники и широкополосное фемтосекундное излучение на основе фотолюминисценции металла.
По направлению "Новые оптические материалы и элементная база для лазеров с экстремальными 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 исследованы новые образцы лазерной керамики, продемонстрирована лазерная генерация. В частности, 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 разупорядоченной 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 пропусканием 80.57%. При использовании керамики Y2O3 и керамики с разупорядоченной кристаллической 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 задающего генератора для мощных волоконных и параметрических систем, а также создан полностью волоконный фемтосекундный лазер с плавной перестройкой по длине волны в полосе усиления 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 были заслушаны выступления руководителей всех проектов. Из анализа этих выступлений, последующей дискуссии и представленных письменных отчетов можно сформулировать наиболее важные результаты.
1. На основе достижений в создании самых мощных в мире петаваттных параметрических усилителей света разработана концепция строительства экзаваттного лазерного комплекса - проект XCELS. Проект базируется на отечественных технологиях выращивания широкоапертурных нелинейно-оптических кристаллов DKDP, создания килоджоульных наносекундных 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 территории страны в предстоящее десятилетие. (ИПФ РАН).
2. Впервые экспериментально продемонстрирована принципиальная возможность когерентного 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 стабилизации относительного временного джиттера. Проанализированы основные факторы, определяющие условия реализации когерентного сложения. Проведённый анализ и экспериментальные 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 высокой частотой повторения импульсов: регенеративный Yb:KYW усилитель с коэффициентом 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 взаимодействия петаваттных лазерных импульсов со структурированными многокомпонентными мишенями. Факторами, определяющими эффективность схемы, являются создание монозарядных ионов, ускорение полем разделения зарядов, возникающим при пондемоторном отжатии электронов вглубь мишени, и обужение энергетического спектра ионов при разлете многокомпонентной плазмы. В численном эксперименте показано, что при помощи современных лазерных систем ионы с зарядом до 30 могут быть эффективно получены и ускорены до энергий в десятки МэВ/нуклон с выходной мощностью до десятков ТВт и током до сотен кА, при этом разброс по энергиям может не превышать нескольких процентов. (ИПФ РАН).
5. Усовершенствована установка фемтосекундного лазерного манипулятора для проведения нанохирургических операций с клетками и эмбрионами; проведение подобных операций 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 проницаемости клеточной мембраны и контролируемого введения в клетки внеклеточного материала. (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 излучении 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 основе высокостабильных фемтосекундных волоконных лазеров, малошумящих усилителей и оптоволоконных уширителей спектра для прецизионных мобильных оптических систем. Проведены исследования по разработке нового поколения атомных стандартов частоты на основе одиночного иона иттербия-171 и ультрахолодных атомов магния со стабильностью не хуже 10-17. Предложен новый метод подавления теплового сдвига частоты эталонного перехода в атоме или ионе. Совместно с Физико-техническим Институтом (PTB, Брауншвейг, Германия) впервые разработана и экспериментально опробована 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». (ФИАН, ИЛФ СО РАН).
7. Проведено исследование и оптимизация различных режимов спекания лазерной керамики, включая режим нагрева СВЧ-излучением, изготовлены и исследованы новые образцы лазерной керамики. Получены керамики иттрий-алюминиевого граната с Nd и Yb хорошего 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 использовании 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, свидетельством чему является полноценное участие нашей страны (представленной институтами РАН) в международных проектах по созданию уникальных лазерных установок. Крупнейшими из таких проектов являются проекты ELI (Extreme Light Infrastructure), IZEST (International Center for Zetta-Exawatt Science and Technology) и HiPER (High Power laser Energy Research). Кроме того были продолжены работы по проекту мега-сайенс XCELS (Exawatt Center for Extreme Light Studies), целью которого является создание лазерного комплекса субэкзаваттного уровня. В настоящее время идут переговоры об объединении проектов 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 (Руководитель проекта: Е.А. Хазанов, ИПФ РАН) В 2012 году работа по созданию 10-петаваттного лазерного комплекса велась над созданием следующих устройств: адаптивная система на основе деформируемого зеркала, пространственный 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 российских проектов для реализации на территории страны в предстоящее десятилетие.
Адаптивная система на основе деформируемого зеркала. В рамках проекта в тестовом режиме была апробирована адаптивная система, состоящая из управляемого деформируемого зеркала, высоковольтного блока управления актюаторами, датчика волнового фронта, масштабирующего безаберрационного ахроматического телескопа и компьютера, посредством которого осуществляется управление зеркалом. В непрерывном или частотном (1 Гц) режиме на пьезооптические актюаторы деформируемого зеркала подается напряжение, приводящие к искривлению поверхности зеркала, соответствующему половине измеренных искажений с обратным знаком. В таком режиме коррекция стационарного во времени волнового фронта происходит за одну итерацию. Также предусмотрен режим, в котором итерационно производится оптимизация формы фокального пятна. Такой режим позволяет оптимизировать качество фокусировки непосредственно в мишенной 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 системы 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 аберрации. При выполнении проекта экспериментально проведено сравнение параметров излучения, на выходе пространственных фильтров различной длины, располагавшихся после финального каскада наносекундного 300 Дж лазера накачки петаваттного параметрического комплекса PEARL. Важно отметить, что конструкции всех фильтров оригинальны и позволяют в полной мере, при сохранении масштабного коэффициента, управлять геометрической расходимостью излучения, компенсировать астигматизм и управлять степенью пространственной фильтрации. Предметом исследования являлось влияние аберраций, вносимых сферическими линзами на коэффициент его пропускания, выходное фазовое распределение и КПД удвоения частоты в нелинейном кристалле.
В экспериментах сравнивались два телескопа с входной апертурой 100 мм и выходной апертурой 130 мм со сферическими линзами. Первый телескоп длиной 9 м обеспечивал, согласно критерию Марешаля, дифракционное качество излучения, второй – 2-х метровый, вносил сферические аберрации с амплитудой отклонения порядка 0.7. Фильтр исследовался при энергиях импульса 300 Дж, чтобы реально учесть возможные негативные эффекты, связанные с ионизацией в области диафрагмы.
Проведены экспериментальные измерения коэффициента пропускания фильтра, амплитуды 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 показали возможность уменьшения геометрической длины лазера накачки в 2-3 раза без использования дорогостоящей асферической оптики, тем самым открывая возможность размещения 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 между 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, фильтрующая диафрагма помещена в вакуумную кювету. Входной и выходной объективы фильтра являются одновременно вакуумными окнами кюветы, при этом для минимизации хроматической и сферической аберрации в них используются двухкомпонентные объективы.
Нами были рассчитаны и созданы линзы объективов фильтра, разработаны и созданы системы 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 продольной координате и 2 мкм по поперечной. В настоящее время осуществляется прецизионная настройка объективов для минимизации их хроматической аберрации.
Вакуумный компрессор мульти-петаваттного уровня на основе дифракционных решеток апертурой 240 х 430 мм. Согласно расчетам угол падения на первую решетку компрессора составляет 43, база (расстояние между решетками) 170 см. Компрессор 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 излучения, а также для вывода скомпрессированного излучения с целью диагностики и контроля его пространственно-временных характеристик используются рабочие окна вакуумной 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 быструю предварительную настройку элементов компрессора, так и точную подстройку параметров выходного излучения. Трансляторы и поворотные устройства снабжены шаговыми двигателями с редукторами, обеспечивающими минимальный шаг – единицы микрометров 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 импульсов 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 кристаллов DKDP, создания килоджоульных наносекундных 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 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 прикладной физики РАН. Комплекс будет включать 12 одинаковых каналов, в каждом из которых будет генерироваться импульс с энергией 300-400 Дж, длительностью 20-30 фс, максимальной интенсивностью при фокусировке более 1023 Вт/см2. Каналы работают по схеме параметрического 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 мощностью 15 ПВт каждый на основе параметрического усиления в кристаллах KD*P. Это позволит не только создать надежный прототип модуля ЦИЭС, но и решить принципиальные вопросы, связанные с фазировкой каналов, а также с отработкой диагностического оборудования для приложений. В дальнейшем по отработанной технологии будут собраны и размещены во вновь построенном здании международного центра 12 каналов основного 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.
Эффективность 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 электроника, 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 является одним из наиболее перспективных методов генерации излучения ультрарелятивистской 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, относительный 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. Разрабатываемая система основана на неколлинеарном сверхширокополосном параметрическом усилении малопериодных фемтосекундных импульсов в большеразмерных кристаллах BBO и LBO при пикосекундной накачке (частота следования импульсов 10Гц и допускает увеличение частоты следования ваше кГц). Изучены изменения пространственно – фазовых параметров в процессе параметрического усиления. Для этого развита методика и выполнены работы по трехмерному моделированию параметрических каскадов усиления малопериодных фемтосекундных импульсов с учетом углового спектра излучения импульсов накачки 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, который необходимо учитывать при разработке системы стретчер-компрессор. Определены требования на размеры и угловой спектр пространственных неоднородностей излучения накачки параметрических каскадов усиления, позволяющие обеспечить высокую эффективность когерентного сложения.
Проанализированы и определены требования на основные параметры складываемых излучений, влияющие на возможность реализации и эффективность когерентного сложения среди которых относительный джиттер, угловая нестабильность, фазовые аберрации, дисперсионные эффекты. Показано, что наиболее критичными факторами являются относительный временной джиттер и угловая нестабильность складываемых излучений.
В рамках проекта впервые экспериментально продемонстрирована принципиальная возможность когерентного сложения параметрически усиленных фемтосекундных импульсов. Ранее когерентное сложение усиленных фемтосекундных импульсов было реализовано только с использованием волоконных каскадов усиления. Когерентное сложение излучений после объемных лазерных каскадов усиления, к настоящему времени, реализовано лишь для непрерывного режима и в системе с обращением волнового фронта для наносекундного 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 аберрации связанные с ним минимальны (< 0.01рад). Поэтому многоканальные лазерные системы на основе каскадов параметрического усиления наиболее перспективны для реализации когерентного сложения.
Экспериментально когерентное сложение импульсов с энергией 1-3 мДж с эффективностью более 90% после каскадов параметрического усиления реализовано с использованием сферического зеркала и разработанной нами прецизионной электроннооптической 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 когерентного сложения представлены на рис. 2.
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 параметрически усиленных фемтосекундных импульсов. Проведнный анализ и экспериментальные данные подтверждают отсутствие принципиальных ограничений на масштабирование 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. Разработана схема широкополосной системы стретчер-компрессор позволяющая проводить масштабирование по энергии усиленных импульсов, на основе стретчера с отражательными голографическими дифракционными решетками, акустооптического формирователя ультракоротких импульсов и компрессора с использованием пропускающих дифракционных решеток и чирпованных зеркал.
Смонтирована пикосекундная лазерная система для накачки второго мультитераваттного канала и компоненты каскадов усиления этого канала (рис. 3).
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, "Development 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. Canada, 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, LOSt. 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 LOСD) 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 импульса 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 функция 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 проводились при перекрытом фемтосекундном импульсе на входе усилителя. В угле 10 -4 рад, что существенно превышает дифракционный угол лазерного излучения, мощность УСИ составила ~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 компрессора 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 возможна компрессия усиленных импульсов в кварцевом стекле, обнаружено новое явление уширения спектра и самокомпрессии при нелинейном взаимодействии отрицательно чирпированных фемтосекундных импульсов с оптическими материалами, обладающими нормальной дисперсией и кубической нелинейностью. На Рис. 2 приведена схема проведения исследований. Исходный спектрально ограниченный импульс длительностью 70 фс отрицательно чирпировался с помощью призменной пары до 160 фс и после фокусировки падал на поверхность кварцевой пластинки толщиной 2.3 мм. Рис. 3 демонстрирует поведение длительности и спектра излучения, прошедшего через пластинку, при различных интенсивностях 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).
Рис. 4. Численный расчт спектра отрицательно чирпированного импульса после воздействия на него нелинейной фазы (слева) и экспериментально полученный спектр (справа) для интенсивности 0.7 ТВт/см Экспериментальные и теоретические значения расстояния между пиками в спектре при разных интенсивностях.
Полученные результаты открывают перспективу разработки новых методов нелинейной самокомпрессии широкоапертурных пучков фемтосекундного излучения в оптических материалах, которые свободны от физических ограничений на энергию в импульсе, 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 субпетаваттной фемтосекундной твердотельной лазерной системы, работающей с высокой частотой повторения при оптической синхронизации канала параметрического усиления фемтосекундных импульсов в нелинейно-оптических кристаллах группы боратов и пикосекундного канала накачки параметрических усилителей на основе активных иттербиевых средах, накачиваемых излучением лазерных диодов.
Разработаны конфигурации оптических схем и проведены расчеты поэтапного увеличения выходной мощности канала усиления от тераваттного до мультитераваттного уровня на основе параметрического усиления в кристаллах трибората лития при пикосекундной 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 эффективности 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 частот, так и в области спектра холостых частот. По сравнению с кристаллом DKDP у кристалла 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 однокристальной 2-х проходной схемы. При этом размеры кристалла LBO (LiB3O5) составляют 5х5х10 мм, интенсивность накачки (515 нм) с гипергауссовым пространственным профилем 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 мультитераваттного уровня (10-100 ТВт) необходимы 2-х кристальные схемы конфигурации, представленной 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, накачка 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 излучения 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 исследования лазерных нанокерамик на основе полуторных оксидов Lu2O3, Y2O3, Sc2O3, активированных трехвалентными ионами иттербия. Наиболее интересные результаты были [Lu0,24Y0,75Yb0,01)2O3]0,88[ZrO2]0,12 (Рис. 3).
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 разработки криогенного стартового генератора импульсов с длительностью импульсов 200 фс.
В канале параметрического усиления исследовано обогащение спектра излучения стартового фемтосекундного генератора при распространении в высоконелинейном оптическом 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 формирования импульсов длительностью 10 фс.
В канале накачки параметрического усилителя в криогенном режиме при непрерывной 30 Вт накачке на выходе регенеративного Yb:KYW-усилителя были получены импульсы с энергией до 1 мДж при частоте повторении 1000 Гц. Для достижения выходной энергии усиленных импульсов 100-150 мДж в канале параметрического усиления проведен расчет дополнительного многопроходного усилителя мощности с диодной накачкой киловаттного уровня. Показано, что для усилителя на Yb:Y2O3-нанокерамике эффективность накачки при понижении температуры до криогенных значений возрастает с 52% (300 K) до 65% (77 K). Определены требования на размеры элементов из нелинейнооптических 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, "Стретчеркомпрессор 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 diodepumped 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, LOSt. 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 длительностью 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 усилителе до ~ 500 мДж при частоте повторения 1 кГц. Охлаждение до криогенных температур 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 эффектов наиболее целесообразно использовать композитные активные элементы, представляющие 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 невысоким 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 часов. Основным преимуществом данной методики является простота изготовления композитных активных элементов. Благодаря оригинальному способу организации предварительного контакта не требуется использование пресса, однородность контакта получается очень высокой. Эти преимущества позволяют говорить о возможности изготовления широкоапертурных активных элементов. На сегодняшний день изготовлено несколько образцов диаметрами 10, 15 и 20 мм, в том числе образцы из Yb:YAG-керамики. Было выполнено исследование качества сварки композитных активных элементов. На рис. 1б изображены 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 излучения накачки вплоть до разрушения образца (рис. 1в) и исследовалась топология разрушений. В разрушенных образцах не было областей, на которых разрушение происходило бы вдоль плоскости сварки, что свидетельствует о том, что прочность сварки сильнее прочности самого материала.
Высокоэффективная лазерная система с 30 мДж энергией в импульсе и килогерцовой частотой повторения. Лазерная система (рис. 2а,б) используется в качестве предварительной части разрабатываемого килогерцового дискового лазера с суб-джоульной энергией 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 эффективность генератора, а также значительно улучшить качество пучка. В дальнейшем в резонатор 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 система 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 составила 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 усилителя, 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. Излучение проходило по 4 раза через каждый кристалл. Таким образом, в ОУ было реализовано усиление по слабому сигналу более 120 раз (рис. 4а) при частоте повторения импульсов 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 ограничивали частоту повторения импульсов накачки 150-ю герцами при длительности импульсов накачки 1.5 мс, скважность при этом составила 4.4. Применение проточной системы охлаждения и композитной геометрии активного элемента позволит перейти к непрерывному режиму накачки (и, соответственно, к килогерцовой частоте повторения импульсов) в ОУ, что было продемонстрировано на примере работы ПУ.
Рис. 4. Зависимость коэффициента усиления (а) и выходной энергии (б) ОУ от энергии импульса накачки при частоте повторения 150 Гц. Линиями указана запасенная энергия в дисковых (красная) и композитных (зеленая) активных элементах Первые результаты по измерению порога пробоя в используемых активных элементах 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 импульсов с помощью чирпирующих зеркал, надежно работающих при высокой средней мощности и обеспечивающих минимальные потери излучения, что позволит достичь субтераваттного 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 Nanosecond 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, "Особенности 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 selfpropagating high-temperature synthesis and microwave sintering", Optical Materials, accepted to publication, 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 (Руководители проекта: А.В. Ким, М.Ю. Рябикин, ИПФ РАН) Лазерные системы, генерирующие ультракороткие импульсы в среднем ИК диапазоне с высокой энергией и средней мощностью, интересны как для изучения фундаментальных вопросов взаимодействия лазерного излучения с веществом, так и могут быть положены в основу сверхъярких источников аттосекундных импульсов в рентгеновском диапазоне, а также источников ускоренных заряженных частиц. Ввиду отсутствия подходящих широкополосных активных сред в среднем ИК диапазоне перспективным является построение лазерной системы на основе параметрического усиления фемтосекундных импульсов 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 - усиливаемого в параметрическом усилителе импульса, и второго - мощного импульса накачки. Фотография построенного прототипа задающей волоконной лазерной системы приведена на рис. 2.
Источником задающих импульсов служит полностью волоконный фемтосекундный лазер с синхронизацией мод на длине волны 1.56 мкм. Ключевым элементом схемы является преобразователь длины волны излучения на основе высоконелинейного световода со смещенной дисперсией (HNL-DSF), в котором происходит генерация импульсов в диапазоне 1.6-1.8 мкм с длительностью 13 фс за счет эффектов многосолитонного сжатия (спектр и форма счет синхронного взаимодействия солитона высокого порядка и дисперсионных волн. Коротковолновые импульсы далее растягиваются в волоконном стретчере и усиливаются в трех каскадах на основе активных иттербиевых волокон, и, при необходимости увеличения энергии, еще и в твердотельном регенеративном усилителе, и будут использоваться в качестве накачки параметрического Рис. 2. Фотография лазерной системы усилителя. Средняя мощность на выходе составляет 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 спектральная 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 генерация разностной частоты между импульсами на длинах волн 1 мкм и 1.6-1.8 мкм, либо холостая волна, генерируемая в предварительном маломощном параметрическом усилителе.
II. Для реализации программы создания лазерной системы, генерирующей импульсы фемтосекундной длительности с энергией не менее джоуля, следующих с частотой повторения 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 диодной накачкой активных элементов (АЭ) на основе Yb-YAG реализованы лазерные системы с энергетическими параметрами лазерного излучения, дающими основания к разработке поставленной задачи. Основные надежды в данных системах связаны с малой величиной стоксовых потерь энергии накачки и отсутствием каналов утечки запаснной энергии 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 величиной населнности нижнего рабочего уровня при комнатных температурах АЭ, приводящей 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 указанных 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 характерных размеров АЭ 1 см легко рассчитать, исходя из величины удельной энергии испарения 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 лазерного излучения систем при комнатных температурах и использованием традиционных высокоэффективных водяных систем охлаждения. В многопроходовых системах CW накачки происходит многократное увеличение плотности мощности излучения, что компенсирует малость сечения поглощения. Учитывая большую величину поглощаемой мощности, приводящую к неоднородности распределения температуры в АЭ и связанным с этим сильным оптическим искажениям и механическим напряжениям, приводящим к разрушению АЭ, наиболее подходящей конфигурацией является дисковый АЭ с торцевым охлаждением и накачкой.
В рамках данного проекта разработана численная модель таких усилителей, учитывающая (1) временную нестационарность процесса накачки при частоте следования усиливаемых 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 температурах и (5) динамику энергосъма в многопроходовом по лазерному излучению усилителе.
С помощью этой модели найдены оптимальные параметры системы. Основным ограничивающим 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 мощности 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.
Приведнные расчты позволяют приступить к расчту конструкций теплообменников и конструированию оптических схем усилителей с дальнейшими их экспериментальными испытаниями.
III. Генерация высоких гармоник фемтосекундного лазерного излучения среднего ИК диапазона в газах позволяет с использованием компактных лазерных источников получать когерентное рентгеновское излучение с энергиями фотонов порядка или более 1 кэВ [T. Popmintchev et al., Science 336, 1287 (2012)]. Актуальной задачей является исследование поляризационных эффектов при генерации высоких гармоник. Использование таких эффектов, в частности, лежит в основе метода поляризационного затвора для выделения одиночных аттосекундных импульсов. Управление состоянием поляризации генерируемых рентгеновских импульсов важно для диагностики материалов (хиральные среды, магнитные материалы и структуры и др.) с нанометровым пространственным и фемтосекундным временным разрешением.
В рамках данного проекта проведены теоретические исследования генерации высоких гармоник при взаимодействии эллиптически поляризованного лазерного ИК излучения с атомами. Получены аналитические выражения, описывающие влияние эллиптичности 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 результатами 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 значений длины волны накачки.
Рис. 4. Пороговая эллиптичность как функция от номера гармоники для лазерного излучения с =800 нм (а) и 1300 нм (б), взаимодействующего с атомами аргона; интенсивность лазерного 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 измерений [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 значительно 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 взаимодействии 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 электроника (направлено в печать).
6. М.Ю. Емелин, М.Ю. Рябикин, "О возможностях использования лазеров среднего ИК диапазона для генерации высоких гармоник с субнанометровыми длинами волн в газах", Квантовая электроника (направлено 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, В рамках выполнения проекта проводилось исследование процесса генерации пучков 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 физики высоких плотностей энергии. В частности, на получение таких пучков направлен один из самых больших европейских научных проектов FAIR, в рамках которого предполагается использовать традиционные методы ускорения заряженных частиц. В то же время применение современных лазерных систем могло бы значительно снизить стоимость необходимого 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 ионов, 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 интервале интенсивностей. На примере ионов железа исследовался процесс ускорения полем разделения зарядов, возникающем при отжатии электронов мишени пондеромоторной силой циркулярного лазерного импульса, падающего нормально к поверхности. Путм численного двумерного моделирования было показано, что при оптимальном выборе параметров (плотность плазмы и длительность импульса) в результате взаимодействия может быть сформирован пучок ионов с энергиями в районе 28 МэВ/нуклон и разбросом по энергиям не превышает нескольких процентов. Выходная пиковая мощность пучков составляла величину около Результат численного моделирования процесса ускоТВт (при входной мощности ла- рения пучка ионов Fe24+. (а) Профиль плотности зерного пучка около 5 ПВт), ионный (б) Пучок на фазовой плоскости (p, p ). (в) Распредеx 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.
Еще одним направлением теоретических исследований в рамках настоящего проекта являлось изучение влияния резких градиентов плотности плазмы на процесс захвата электронов в кильватерную структуру, возбуждаемую лазерным импульсом в прозрачной плазме. Эта задача представляет интерес с точки зрения проблемы контролируемой загрузки электронов при их ускорении в этом режиме. Идея заключается в том, что при уменьшении концентрации на пути распространения лазерного импульса быстрое увеличение длины плазменной волны и, как следствие, размера кавитационной области может приводить к захвату электронов.
Было проведено численное исследование захвата электронов в комплексном моделировании процесса распространения лазерного импульса через газовую струю с концентрацией, модифицированной посредством введения тонкой проволоки на пути распространения газа до траектории прохождения лазерного импульса. При этом рассматривались две потенциальные альтернативы – внешние и внутренние резкие градиенты плотности (см. рисунок (а) и (б) соответственно). На рисунке слева показаны диаграммы зависимости числа захваченных электронов от их энергии в различные моменты времени, характеризуемые положением лазерного импульса (по горизонтали).
По диаграммам видно, что малый нисходящий градиент (на уровне 1018 см-3 на мкм) инициирует захват только тогда, когда плотность снижается до 3x1018 см-3 (а), тогда как резкий ( см-3 на 3 мкм) градиент может хорошо инициировать захват при плотности 1019 см-3 (б).
Интересным обна- Результаты моделирования методом частиц в ячейках в трехмерной руженным эффек- геометрии процесса захвата и ускорения электронов в газовой струе с том, присущим резкими перепадами концентрации. Диаграммы (а), (б) - распределение электронов по энергии в зависимости от положения лазерного конфигурации (б), является трехстулидирующей кавитационной области в следующую за ней пенчатый процесс, показанный на рисунке справа. На первом нисходящем градиенте происходит захват электронов, затем они ускоряются до области нарастания концентрации, в которой из-за резкого уменьшения размера кавитационной области они переходят во вторую кавитационную область и продолжают свое ускорение.
В плане подготовки будущих экспериментов по лазерному ускорению заряженных частиц за отчетный период проводились следующие работы.
Лазерная установка петаваттного класса мощности PEARL, подверглась модернизации и была перемещена в новое подвальное помещение, удовлетворяющее требованиям радиационной защиты для экспериментов с твердотельными мишенями. Переезд установки потребовал создания новой вакуумной инфраструктуры в новом помещении: создание нового вакуумного тракта, закупка новых форвакуумных и турбомолекулярных насосов, их установка и вибро-шумоизоляция. Переход на лазерный импульс апертурой 200мм (от ранее использовавшихся 100 мм), повлек модернизацию вакуумного оптического тракта и полную замену транспортной оптики, а также, существенную модернизации имеющейся вакуумной камеры (диаметр 1м), использовавшейся ранее для экспериментов с газовыми мишенями. Также разработана и отправлена в производство новая мишенная камера, большего размера (диаметр 1,5 метра; размер был ограничен сверху размерами проемов помещения, в котором располагается лазерная установка, помещении строилось как бомбоубежище, и крупногабаритные проемы не предусмотрены). Изготовление находится на финальной стадии (привариваются фланцы, шлифуются их плоскости).
Была разработана и отдана в производство сверхточная система позиционирования и наведения мишени (точность позиционирования 2 мкм). Был разработан алгоритм дистанционного управления на системе LabView, позволяющий наводить лазерный луч на любую из ячеек матричной мишени, при наличии предварительной юстировки только по трем точкам. Настройка осуществляется по трем специальным юстировочным отверстиям, посредством моторизованной камеры с микроскопическим объективом, предварительно наведенной на перетяжку лазерного луча. Наведение камеры осуществляется при помощи дополнительной специализированной моторизированной тырехкоординатной системы позиционирования камеры, не связанной с системой позиционирования мишени. Эта система позволяет не только наводить камеру на оптический луч, но также позволяет вводить камеру в область взаимодействия при настройке, а при выстреле перемещать ее на безопасное расстояние. После настройки любая, наперед взятая, ячейка матричной мишени может быть передвинута в область перетяжки автоматически, без дополнительной настройки, путем нажатия одной кнопки разработанного графического интерфейса.
Проведена первичная оптимизация параметров лазерного излучения для целей ускорения в поле кильватерной волны и ускорения протонов при взаимодействии лазерного излучения с твердотельными мишенями. Проведены исследования зависимости временного контраста импульса от точности настройки системы стретчер-компрессор. Работы по улучшению временного контраста системы принципиально важны, поскольку контраст определяет режим взаимодействия с твердотельной мишенью. В случае низкого контраста, мишень разрушается предимпульсом, до прихода основного сигнала.Исследованы возможности появления «углового чирпа» (различные частотные спектры у различных компонент углового спектра оптического импульса), его влияние на последующую пространственную фокусировку импульса. От качества пространственной фокусировки зависит максимальная интенсивность лазерного излучения в области взаимодействия, а, следовательно, и режим взаимодействия. Исследовано влияние неточностей изготовления широкоапертурных дифракционных решеток компрессора на качество последующей компрессии импульса.
Разработан модуль измерения спектров ускоренных ионов – томсоновскаяпарабола.
Прибор способен не только определить энергию положительно заряженной частицы, но и определить соотношения заряд/масса, что принципиально для разделения вклада ионов одинаковых атомов с разной степенью ионизации. Разработан алгоритм восстановления энергетического спектра пучка заряженных частиц по засветке используемой рентгенографической пластины (IP). Разработана конструкторская документация, прибор отдан в производство.
В плане отработки технологии изготовления сверхтонких мишеней различной толщины были:
1. Развита лабораторная технология изготовления свободновисящих многослойных структур, на основе которых разработан ряд рентгенооптических элементов с новыми свойствами. В частности, такие МС применяются в качестве многослойных зеркал (поляризаторы, фазо-сдвигающие делительные пластинки, дисперсионные элементы); абсорбционных спектральных фильтров для рентгеновской диагностики лабораторной и космической плазмы. Свободновисящие пленочные структуры нашли применение в стендах проекционной нанолитографии на длине волны = 13.5 нм (абсорбционные спектральные фильтры, пленки для защиты масок от загрязнений, корректоры аберраций объектива).
Отрабатывается технология изготовления свободновисящих пленочных мишеней для источников протонов.
2. Для применения в стендах проекционной нанолитографии на длине волны 13.5 нм выбраны оптимальные композиции материалов многослойного фильтра, обеспечивающие его долговременную работу в условиях нагрева излучением до 950°C в среде остаточных газов – кислорода, воды и фоновой водородной среды. Разработаны и изготовлены ультратонкие (толщиной 25-50 нм) абсорбционные фильтры для ЭУФ-нанолитографов с рабочей апертурой до 160мм и с рекордным пропусканием (до 85%) на рабочей длине волны = 13.5 нм.
3. Определены предельные тепловые нагрузки для Mo/ZrSi2-фильтра. В тестовых испытаниях (до 120 часов вакуумного лазерного отжига свободновисящей пленки при температуре 700–1000C) изучено влияние долговременного теплового воздействия на свойства и структуру многослойного фильтра. Установлены механизмы, приводящие к деградации характеристик фильтров при отжиге: диффузия примесей кислорода и углерода, поступающих из вакуумного объема; взаимная диффузия материалов соседних слоев, наблюдающаяся при температуре выше 900° C (соответствует плотности поглощенной мощности q 4 Вт/см2); изменение фазового состава силицидов, диффузия к поверхностям пленки и сублимация кремния при температуре вакуумного отжига более 950C. Порог разрушения в этих опытах оценивается величиной q = 7 Вт/см2, соответствующей температуре пленки 1050°C. Ориентировочным уровнем поглощенной мощности, допустимым для Mo/ZrSi2- Многослойный спектральный фильтра, можно считать q = 4 Вт/см2, при которой фильтр с рабочей областью диаметром 170 мм для космического "солеще слабо проявляют себя факторы ухудшения каче- нечного" телескопа ства фильтра.
Публикации и выступления на конференциях по результатам работ 1. A.V. Korzhimanov, E.S. Efimenko, S.V. Golubev, and A.V. Kim, "Generating high-energy highly charged ion beams from petawatt-class laser interactions with compound targets", Phys. Rev. Lett., 2012 (принято).
2. S. Bastrakov, R. Donchenko, A. Gonoskov, E. Efimenko, A. Malyshev, I. Meyerov, I. Surmin, "Particle-in-cell plasma simulation on heterogeneous cluster systems, Journal of Computational Science", v.3, No 6, pp.474-479, 2012.
3. A.V. Korzhimanov, E.S. Efimenko, A.V. Kim, and S.V. Golubev, "Generation and acceleration of high-energy mid-Z ions by petawatt-class laser systems in structured targets", The International Committee on Ultra-High Intensity Lasers: Book of Abstracts of ICUIL 2012 Conference, Mamaia, Romania, September 16-21, 2012, p.6.
4. S.V. Golubev, A.V. Korzhimanov and A.V. Kim, "Multi-charged ion acceleration during petawatt-class laser interaction with structured targets", Book of Abstracts ICIS 2011,Internetiol Conference Ion Sources, Giardini Naxos, Italy, September 12-16, 2011, p. 295.
5. М.М. Барышева, А.Е. Пестов, Н.Н.С алащенко, М.Н. Торопов, Н.И. Чхало, "Прецизионная изображающая многослойная оптика для мягкого рентгеновского и экстремального ультрафиолетового диапазонов", Успехи физических наук. 2012, т.182, № 7, С.727-747.
6. N.I. Chkhalo, M.N. Drozdov, E.B. Kluenkov, A.Ya. Lopatin, V.I. Luchin, N.N. Salashchenko, N.N.Tsybin, L.A. Sjmaenok, V.E. Banine, and A.M. Yakunin. "Free-standing spectral purity filters for extreme ultraviolet lithography", J. Micro/Nanolith. MEMS MOEMS 11, 021115 (2012).
7. С.А. Гусев, М.Н. Дроздов, Е.Б. Клюенков, А.Я. Лопатин, В.И. Лучин, Д.Е. Парьев, А.Е. Пестов, Н.Н. Салащенко, Н.Н. Цыбин, Н.И. Чхало, Л. А. Шмаенок, "Термостабильность свободновисящих ЭУФфильтров в условиях длительного вакуумного отжига в интервале температур 700–1000°C",/ Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. 2012. № 6. С. 1–5.
8. М.Н. Дроздов, Е.Б. Клюенков, А.Я. Лопатин, В.И. Лучин, А.Е. Пестов, Н.Н. Салащенко, Н.Н. Цыбин, Н.И. Чхало, Л. А. Шмаенок, "Сравнительное тестирование свободно висящих многослойных фильтров Mo/ZrSi2 и Mo/NbSi2 по термостабильности", Известия РАН. Серия физическая. 2013. Т. 77. № 1. С. 97–99.
Проект 3.2. Генерация когерентного рентгеновского излучения и ускорение электронов до ультрарелятивистских энергий при распространении интенсивных фемтосекундных лазерных импульсов в диэлектрических (Руководитель проекта: А.М. Сергеев, ИПФ РАН) В рамках выполнения проекта было проведено исследование возможности генерации коллимированных пучков ускоренных электронов с узким распределением по энергии при взаимодействии интенсивного лазерного излучения со структурированными мишенями. Данная проблема в настоящее время активно изучается с целью создания эффективного и стабильного источника ускоренных электронов, синхронизированного с мощным лазерным импульсом, для их захвата в плазменную волну при лазерно-плазменном ускорении [1, 2].
В эксперименте использовался титан-сапфировый лазер, генерирующий импульсы с длительностью 60 фс и максимальной энергией до W = 100 мДж с центральной длиной волны 800 нм. В вакуумной камере лазерный пучок фокусировался по нормали к алюминиевой фольге на ее торец при помощи сферического зеркала. Максимальная интенсивность в фокусе при энергии в импульсе 100 мДж составляла I = 21017 W/cm2. Перед основным лазерным импульсом (~ за 10 нс) присутствовал предимпульс с энергией порядка 10-4 от энергии основного импульса. Интенсивности предимпульса на мишени было достаточно для ионизации материала мишени, в результате даже при отсутствии основного импульса на поверхности мишени наблюдалось свечение, указывающее на появление плазмы.
Диагностика электронов осуществлялось по люминесценции сцинтилляционного экрана (Lanex Medium, фирма Kodak) и регистрировалось цифровой камерой Hamamatsu C8484.
Для измерения энергетического спектра электронов был использован магнитный спектрометр на основе NdFeB магнитов диаметром 5 см, обеспечивающих однородное магнитное поле порядка 0.2 кгс. Траектория электронов в магнитном поле рассчитывалась по свечению экрана с учетом его чувствительности, на основе чего восстанавливался их энергетический спектр.
димость пучка (FWHM) составляет 6мрад В эксперименте были обнаружены колиммированные пучки электронов (рис. 1) с углом расходимости ~ 0.50, что существенно превосходит уровень коллимации пучков электронов, наблюдавшихся ранее [3-5], направленные по направлению распространения лазерного пучка.
Энергетические спектры электронных пучков представлены на рис. 2. Оказалось, что пучки имели существенно не максвелловский спектр с шириной энергетического распределения в некоторых выстрелах менее 20% от энергии в максимуме. Диапазон энергии электронов в пучках составлял 0.2-0.8 МэВ, что существенно превосходит осцилляторную энергию электронов в лазерном поле (~0.02 МэВ).
Анализ возможных механизмов формирования пучков ускоренных электронов с высокой направленностью и узким энергетическим спектром при высокой энергии электронов привел к выводу, что наиболее вероятным механизмом ускорения могло являться ускорение электронов в плазменной волне. Средой для возникновения плазменной волны является плазма, созданная предимпульсом, приходящим за ~ 10 нс до основного импульса (рис. 3).
Для проверки этого предположения в рамках одномерного PIC кода были проведены численные расчеты распространения фемтосекундного лазерного излучения с параметрами длительности и интенсивности, характерными для условий эксперимента, в плазме.
Как показали результаты расчетов при распространении лазерного излучения в плотной плазме с концентрацией 1019-1020 см-3 на расстояниях порядка 100 мкм (что соответствует характерным концентрациям и масштабам плазмы, создаваемой предимпульсом с учетом ее разлета) в плазме возбуждается сильная плазменная волна за счет развития модуляционной неустойчивости лазерного импульса. Часть электронов плазмы захватывается этой волной и ускоряется до больших энергий, значительно превосходящих осцилляторную энергию. Распределение продольного (вдоль направления распространения лазерного излучения) импульса электронов в плазме представлено на рис. 4. Анализ результатов численных счетов, в частности, изображенных на рисунке, говорит о том, что происходит генерация узконаправленных электронных пучков, и распределение ускоренных электронов по энергии имеет сильно не максвелловский характер с узким энергетическим пиком.
«