Работа выполнена
в Государственном оптическом институте им. С. И. Вавилова и в Научно-исследовательском институте лазерной физике"
Официальные оппоненты:
Член-корреспондент РАН, доктор физико-математических наук, профессор Бонч-Бруевич Алексей Михайлович
Член-корреспондент РАН, доктор физико-математических нэуг Пашинин Павел Павлович
Доктор физико-математических наук, профессор Егоров Валентин Семенович
Ведущая организация:
Институт прикладной физики РА :
Защита состоится "//" пгс7/?ії/)/7 2001 •
Диссертационного советЩ407.001.01' В' її Г (199034 Санкт-Петербург, Биржевая <>
С диссертацией можно ознакомит* • • ф ..
ДиссертаЩгтз^^иа <£5" сенТ/7ІЇ/>/1200 і
о 5216 -3-02
П ! Ученый секретарь диссертационного | Совета ВНЦ «ГОИ им. С.И.Вавилова» | Доктор технических наук, профессор
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Введение, актуальность темы.
Твердотельные лазеры с высокой пиковой мощностью излучения находят широкое применение в различных областях науки и техники — от технологии до лазерного термоядерного синтеза и генерации сверхсильных лазерных полей. Во многих этих применениях, требующих большой концентрации мощности в малых объемах вещества, необходимы лазерные пучки с предельно высокой мощностью и яркостью. Однако возможность получения таких пучков ограничивается целым рядом линейных и нелинейных эффектов общих для большинства твердотельных лазерных систем. Поэтому исследование и развитие методов формирования и коррекции пространственной и временной структуры излучения в твердотельных лазерных системах, несомненно, является актуальной проблемой.
На первой стадии исследований наибольшую актуальность представляла идентификация основных причин, ограничивающих пиковую мощность и яркость излучения твердотельных лазеров среди широкого круга возможных эффектов. Такая идентификация была необходима для разработки адекватных методов их подавления. С этим связана актуальность вопросов, рассматриваемых в первом разделе диссертации.
Актуальность вопросов, рассматриваемых во втором разделе, обусловлена настоятельной необходимостью исследования и развития методов линейной оптики, которые комплексным образом позволили в значительной степени подавить ежелательные эффекты, приводящие к сильной амплитудной и фазовой модуляции азерных пучков и ограничению тем самым интенсивности и яркости излучения.
Во многих случаях использование методов линейной оптики, в том числе и даптивной, оказывается недостаточным для коррекции фазовых искажений, рисущих многоэлементным твердотельным лазерным системам, особенно аботающим в импульсно-периодическом режиме. В связи с этим весьма актуаль-ым является комплекс вопросов, решаемых в третьем разделе диссертации и асающихся применения эффекта обращения волнового фронта при вынужденном ассеянии Манделыитама-Бриллюэна (ВРМБ) и вынужденном комбинационном ассеянии (ВКР) для коррекции аберраций. К моменту начала исследований сам акт реализации ОВФ при ВРМБ был надежно установлен, но не был решен целый яд вопросов, касающихся возможностей и перспектив практического применения *ВФ при вынужденных рассеяниях в лазерных системах с высокими пиковой и редней мощностями излучения. В диссертации описывается целый, ряд методов оголяющих оптимизировать и успешно применять ВРМБ и ВКР-зеркала в т. ‘ых лазерах.
Эффективность использования «стандартных» методов контроля за ( стельными нелинейными эффектами резко снижается для твердотельных г .; ых систем с субнаносекундной, и особенно пикосекундной и фемтосекундной ) юностями импульса, использующих принцип прямого усиления. Это обуслов-е сложностью подавления мелкомасштабной самофокусировки, являющейся с зным ограничивающим пиковую мощность эффектом. В связи с этим ктуальным является рассмотрение в разделе 4 вопросов, относящихся к новой
Э
архитектуре твердотельных лазеров с компрессией импульса. В диссертации анализируются преимущества этого подхода в сравнений с классическим методом прямого усиления, и показывается его существенное преимущество для получения коротких и сверхкоротких импульсов большой интенсивности. Реализация новой архитектуры лазерных систем возможна лишь при использовании энергетически эффективных методов компрессии. В связи с этим весьма актуальными являются также исследованные в этом разделе методы компрессии с использованием ВРМБ, позволяющие эффективно преобразовывать длительность из наносекундного в субнаносекундный диапазон.
Наконец, актуальность заключительного раздела диссертации связана с необходимостью оптимизации параметров другого класса твердотельных лазеров -лазеров с компрессией импульса, основанных на усилении и сжатии фазово-модули-рованных импульсов. Использование этих принципов, предложенное и экспериментально обоснованное в конце 1980-х годов Моигои с соавторами, позволило твердотельным лазерам совершить прорыв в область тера- и даже петаваттных уровней пиковой мощности. Однако многие вопросы, связанные с получением высококонтрастных пико и фемтосекундных импульсов, серий сверхкоротких импульсов, масштабирования энергии пикосекундных лазерных систем были еще не исследованы. Кроме этих вопросов в данном разделе рассматриваются некоторые новые актуальные приложения сверхкоротких импульсов, связанные с дистанционным зондированием на удаленные расстояния, генерацией рентгеновского излучения и быстрых частиц в лазерной плазме.
Решение перечисленных выше задач является актуальным и имеет большое научное и практическое значение.
Цель работы
Настоящая работа посвящена идентификации и исследованию основных линейных и нелинейных эффектов, ограничивающих мощность и яркость излучения твердотельных лазерных систем, а также разработке и исследованию методов, позволяющих преодолеть эти ограничения с целью получения лазерных пучков с предельной мощностью и яркостью.
Эти исследования включают в себя:
• измерения характерных параметров нелинейных эффектов, протекающих в мощных лазерных системах, и их влияния на мощность и яркость излучения;
• исследование влияния дифракции и ее взаимосвязи с самофокусировкой излучения, как фактора, ограничивающего пиковую мощность и яркость излучения;
• разработку и исследование методов формирования пространственной структуры излучения, позволяющих получать максимальную яркость излучения в условиях развития ограничивающих линейных и нелинейных процессов;
• исследование методов подавления мелкомасштабной самофокусировки, как основного ограничивающего фактора в лазерах со сверхкороткой длительностью импульса;
4
• изучение эффекта обращения волнового фронта при ВРМЬ и ВКР для получения лазерных пучков с предельной яркостью в мощных лазерных системах;
• сравнительный анализ лазерных систем прямого усиления и лазеров с компрессией импульса;
• разработку и исследование оптических схем компрессии импульсов при ВРМБ;
• исследование методов получения как одиночных, так и последовательностей птсосекундных лазерных импульсов большой мощности и высоким контрастом в лазерных системах с усилением и сжатием фазовомодулированных импульсов;
• исследование некоторых приложений мощных лазерных импульсов
♦
Научная новизна работы
Научная новизна работы состоит в идентификации и экспериментальном исследовании линейных и нелинейных процессов, ограничивающих мощность и яркость излучения в твердотельных лазерах, а также в разработке и исследовании методов формирования пространственно-временной структуры излучения, позволивших подавить эти процессы и получить лазерные пучки с предельной яркостью в широком диапазоне изменения длительности импульса — от 2 пс до 200 не. К числу полученных оригинальных результатов относятся:
1. Экспериментальное определение параметров насыщения усиления отечественных фосфатных неодимовых стекол, использованное для разработки модели усиления. Экспериментально показано, что плотность энергии насыщения в таких стеклах, определяемая, в частности, временем жизни нижнего лазерного уровня, снижается для импульсов короче 1 не. На примере неодимового стекла экспериментально продемонстрирована возможность съема более 90% энергии со спектрально неоднородно уширенной лазерной среды при использовании относительно длинных (30-100 не) узкополосных лазерных импульсов как в схеме прямого усиления, так и в многопроходовых схемах с использованием ОВФ-ВРМБ-зеркала.
2. Первая экспериментальная демонстрация возможности подавления мелкомасштабной самофокусировки с помощью оптических ретрансляторов.
3. Впервые экспериментально продемонстрированная возможность повышения порога мелкомасштабной самофокусировки в пространственно-неоднородных пучках с последующим восстановлением при использовании эффекта волнового фронта при ВРМЬ.
к Методы оптимизации стержневых лазерных усилителях большого диаметра В (до 10 см) на фосфатном неодимовом стекле для лазерных систем с высокой яркостью излучения с рекордными значениями коэффициента усиления «(см*1), определяемого эмпирической формулой а (см1) = 0.21^> °57. Путем численного расчета впервые определены предельные значения коэффициента усиления в стержневых усилителях.
>. Впервые экспериментально обнаружен и интерпретирован эффект аподизации и пространственной фильтрации световых пучков при ВРМБ в условиях фокусировки излучения в объем рассеивающей среды.
5
6. Предложен и реализован оригинальный и простой метод ОВФ профилированных во времени лазерных импульсов с высокой пиковой мощностью. Показано, что при ВРМБ происходит существенное увеличение контраста и сокращение длительности таких импульсов.
7. Экспериментально показано, что в условиях развития четырехволновых параметрических процессов при вынужденном комбинационном рассеянии(ВКР) возможно подавление попутного ВКР и эффективное (более 85% по фотонам) отражение излучения с обращением его волнового фронта.
8. Предложена новая архитектура твердотельных лазерных систем с высокой пиковой мощностью излучения, основанная на усилении относительно длинных лазерных импульсов с последующей их компрессией. На основе аналитических расчетов и модельных экспериментов показано существенное преимущество таких систем над системами с прямым усилением с точки зрения эффективности энергосъема, уменьшения апертуры усилителей, упрощения конструкции усилительных систем.
9. Предложена и реализована эффективная и масштабируемая по энергии схема компрессии импульсов при ВРМБ на основе последовательного усиления короткого и длинного лазерных импульсов с последующей перекачкой энергии из длинного импульса в короткий в ВРМБ-усилителе, работающем в подфокусировакных или цилиндрически сфокусированных пучках.
10. Обнаружено, что интерференция чирпированных импульсов в регенеративном усилителе лазерных систем, использующих принцип усиления чирпированных импульсов, может служить одним из основных механизмов, ведущих к снижению контраста одиночных импульсов, получаемых з таких системах. Разработаны методы подавления этого механизма путем использования электрооптических устройств.
11. Предложен и экспериментально продемонстрирован новый метод получения существенной девиации частоты при нелинейной фазовой модуляции мощных сверхкоротких лазерных импульсов в периодической нелинейной среде, отдельные фрагменты которой разделены оптическими фильтрами-ретрансляторами, подавляющими мелкомасштабную самофокусировочную неустойчивость.
12. Предложен и экспериментально апробирован новый метод дальнометрии с использованием интерферометрии широкополосных фазовомодулированных лазерных импульсов. Показано, что этот метод позволяет с высокой точностью, ограничиваемой лишь шириной спектра импульсов, определять как расстояние, так и скорость до удаленных объектов при одновременном подавлении нелинейных эффектов в атмосфере.
Практическая значимость результатов работы
Практическая значимость результатов работы определяется разработкой и исследованием комплекса методов формирования пространственно-временной структуры лазерного излучения, позволивших получить мощность и яркость излучения, близкую к предельной для твердотельных лазерных систем в диапазоне длительностей импульса 1 пс - 100 не.
6
- Київ+380960830922