Введение.............................................................................3
1. Глава. Постановка задачи исследования..........................................9
1.1. Обзор методов ОВФ............................................................9
1.2. Анализ состояния вопроса и постановка задачи исследования.....................14
2. Глава. Теоретическое и численное исследования процесса трёхволнового
взаимодействия......................................................................17
2.1. Оценки спектральной ширины синхронизма I-го и 11-го типов.....................17
2.2. Общие требования к параметрам лазерных пучков при трехволновом
взаимодействии......................................................................19
2.3. Эффективность преобразования и искажения временной формы узкополосных
сигналов при трёхволновом взаимодействии в кристалле DKDP...........................19
2.4. Характеристики неколлинеарного взаимодействия 1-го типа в кристалле DKDP. 21
2.5. Анализ влияния ширины полосы и поперечной структуры пучка на фазовое
сопряжение при ТВВ..................................................................24
2.6. Результаты числового моделирования ТВВ........................................27
3. Глава. Экспериментальная установка и методы диагностики. :.......................33
3.1. Лазер накачки.................................................................35
3.2. Система генерации чирпированного импульса.....................................37
3.3. Диагностический комплекс......................................................41
4. Глава. Экспериментальные исследования.........................................53
4.1. Обращение ВФ широкополосных (АА~10Л) импульсов излучения
параметрического генератора.........................................................53
4.2. Обращение ВФ широкополосных (АЛ~115А) чирпированных импульсов
излучения фемтосекундного генератора па Net3стекле..................................63
4.3. Эксперимент по обращению ВФ ультраширокополоспого чирпированного
(~ 600 А) лазерного импульса........................................................72
Заключение..........................................................................81
2
Введение
В последнее время получили широкое распространение научные и технологические исследования с использованием ультракоротких (УК) лазерных импульсов. Области применения УК лазерных импульсов очень широки, начиная от сверления микроотверстий и глазной хирургии и заканчивая созданием пучков заряженных частиц высокой энергии. Интерес обычно связан с сочетанием высоких интенсивностей излучения и УК длительностей в сотни или даже в десятки фемтосекунд, причем мощности, достигнутые в современных лазерных системах, достигают петаваттиого уровня.
Получение импульсов такой большой мощности связанно с рядом сложностей. Прежде всего, генераторы импульсов ультракороткой длительности основаны на синхронизации большого числа мод широкого спектра излучения. Лишь это позволяет получить импульсы УК длительности. Средняя мощность таких генераторов составляет сотни милливатт при частоте повторения в согни МГц, так что энергия в отдельном импульсе находится на уровне нескольких наноджоулей, что недостаточно для большинства практических задач. Их усиление возможно, но лишь при использовании достаточно дорогостоящих сред с широкой спектральной полосой усиления. Прямое усиление такого излучения вплоть до уровня порядка десятков киловатт хорошо изучено. Одна из основных сложностей прямого усиления УКИ состоит в том, что при фемтосекундных длительностях в процессе усиления импульс довольно скоро достигает интенсивностей, приводящих к разрушению оптических элементов. Поэтому в настоящее время широко используется предложенный в [1] способ усиления так называемых чирпированных импульсов (Chirp Pulse Amplification, CPA). В этом случае импульс сначала растягивается во времени в сотни тысяч раз с помощью различных дисперсионных методов, основанных на разнице групповых скоростей для различных спектральных компонент, затем усиливается, и потом сжимается обратно. Методы растяжения могут быть различными, начиная с использования многокилометрового оптического волокна, где длительность импульса увеличивается за счет дисперсии групповой скорости, и вплоть до построения весьма сложных оптических систем на основе дифракционных решёток. После усиления импульс компрессируется в системах с сильной отрицательной дисперсией на основе дифракционных решёток. Основная , проблема в этом подходе связана с тем, что рост энергии импульса с неизбежностью приводит к необходимости увеличивать апертуру как усилительных элементов, так и дифракционных решеток. Дополнительная трудность состоит в том, что импульсы
3
длительностью в десятки и сотни фемтосекунд обладают шириной спектра в десятки и сотни нанометров (широкополосные импульсы), что превышает ширину спектра усиления традиционных стеклянных сред. Широкоапертурные же кристаллические элементы с широкой полосой усиления и требуемым (высоким) оптическим качеством чрезвычайно дороги. Для решения проблемы усиления чирпированных импульсов был предложен альтернативный способ - параметрическое усиление в нелинейном кристалле. Его суть состоит в том, что фемтосекундный импульс сначала растягивают во времени до нескольких наносекунд с помощью системы с сильной положительной дисперсией, так же как при использовании традиционного СРА. Затем растянутый импульс (его принято называть сигнальным) смешивают в нелинейном кристалле с импульсом накачки длительностью в несколько наносекунд и, за счёт нелинейности и анизотропии кристалла, добиваются эффективной перекачки энергии из импульса накачки в сигнальный фемтосекундный импульс.
Отметим, что этот процесс сопровождается генерацией холостого импульса, который обладает обращённой фазой по отношению к исходному сигнальному импульсу. Если усиление сигнального импульса достаточно хорошо изучено, то исследованиям условий генерации и параметрам холостого импульса посвящено значительно меньше работ. Между тем, этот эффект чрезвычайно интересен, так как возможность обращения пространственной фазы широкополосных лазерных пучков (обращение волнового фронта - ОВФ) весьма привлекательна, в том числе и с пракгической точки зрения. Представляемая работа посвящена исследованию ОВФ в процессе параметрического усиления чирпированных импульсов при трёхволиовом смешении в нелинейном кристалле 1ЖОР.
Исследования эффекта обращения волнового фронта проводятся достаточно давно. Практическая значимость этого явления обусловлена следующими обстоятельствами. При усилении и транспортировке мощных лазерных импульсов они проходят большое количество оптических элементов. Из-за их неидсалыюсти, а также ввиду термооптических искажений в элементах системы усиления, изначально плоский волновой фронт искажается. Эти искажения могут привести к увеличению пространственной плотности энергии в отдельных точках пучка, вызывая развитие различных нелинейных эффектов в пучке - самофокусировке и ВРМБ, что приводит, в конечном счете, к разрушению оптических элементов лазерной системы. Кроме того, пучок с неидеальпым волновым фронтом очень сложно фокусировать, что является критическим фактором для большинства применений.
4
Исходя из сказанного, задачи настоящей работы могут кратко быть сформулированы следующим образом: уточнить физические механизмы, действующие при ОВФ в процессе трёхволнового взаимодействия (ТВВ), установить количественные критерии обращения, и на этой основе доказать возможность ОВФ широкополосного излучения с высоким качеством.
Приведённый ниже анализ показал, что проблема ОВФ при трёхволновом взаимодействии широкополосного излучения слабо исследована. Поэтому для получения детальных экспериментально и теоретически обоснованных представлений об изучаемом процессе нам пришлось решить целый комплекс задач: по численному моделированию процесса (Гл. 2), модернизации лазерной системы для обеспечения требуемых параметров излучения накачки и созданию фемтосекундного комплекса (Гл.З). Кроме этого требовалось создать и развить диагностический комплекс (Гл. 3).
На защит}' выносится:
1. Создание экспериментального лазерного комплекса для исследования процессов обращения чирпироваипого широкополосного излучения.
2. Создание комплекса диагностик, включающих сдвиговую интерферометрию для исследования формы волнового фронта, автокорреляционные методики для определения временной длительности импульсов, системы спектрально-временных измерений лазерного излучения.
3. Теоретическое исследование и математическое моделирование процессов трёхволнового взаимодействия волн с различными временными и пространственными профилями в кристаллах, позволившие оценить спектральную ширину синхронизма и допустимую неколлинеариосгь в зависимости от распределения интенсивности излучения в лазерном пучке, а также предельные кривизны волновых фронтов обращаемых импульсов по критическому и некритическому направлениям, которые еще могут быть обращены без искажений.
4. Экспериментальное исследование процессов трехволнового взаимодействия лазерных импульсов и качества обращения в кристалле ЭКЭР, которое показало:
a. Обращение лазерных импульсов со спектральной шириной вплоть до 10 А в процессе коллинеарного овв взаимодействия в кристаллах БКОР возможно;
b. При неколлинеарном оое взаимодействии в кристаллах 1ЖОР возможно обращение фемтосекундных лазерных импульсов с длительностью -200 фс.
c. Обращение фемтосекундных лазерных импульсов со спектральной полосой вплоть до 600 А в процессе неколлинеарного оое взаимодействия возможно;
5
<1. Диапазон углов в обращаемом пучке в кристаллах ОКОР ограничен ~1° по некритичному направлению и несколькими минутами по критичному; е. Максимальное отклонение между волновыми фронтом исходного излучения и инвертированным волновым фронтом излучения разностной частоты меньше 1 X, а среднеквадратичное отклонение между ними не превышает 0.5 X; причем разница определяется в основном отклонением волнового фронта второй гармоники от плоского;
£ Волновой фронт, обращенной в нелинейном кристалле волны, практически не зависит от ее спектральной ширины.
Краткое содержание диссертации
Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. В первой главе обсуждаются общие принципы и подходы к ОВФ лазерных импульсов; анализируется состояние исследования по вопросам ОВФ широкополосных импульсов, формулируется задачи исследования.
Во второй главе проведены теоретические исследования и выполнено численное моделирование процессов трёхволнового взаимодействия. Подробно исследованы процессы, влияющие на эффективность ОВФ. В том числе проведены оценки спектральной ширины синхронизма 1-го и Н-го типов для разных кристаллов и показало, что, например, для кристалла ОКОР длиной 1 см и пучков с цилиндрическим волновым фронтом допустимый угол расходимости ~1°, тогда как для критичного синхронизма этот угол порядка нескольких угловых минут. При этом для кристаллов, обладающих некритичным по обоим направлениям синхронизмом (например, ЬВО), возможно эффективное ТВВ пучков, имеющих значительную кривизну волнового фронта (~ 1°). Рассмотрены общие требования к параметрам лазерных пучков при трехволновом взаимодействии. В частности показано, что при интенсивности второй гармоники —200 МВт/см2 может быть достигнута «конверсионная эффективность», т.е. усиление сигнальной волны, в 5-10 раз. Эффективность преобразования, искажения временной формы импульсов, а также влияние ширины полосы и поперечной структуры пучка на качество обращения исследовались путем численного моделирования ТВВ. Показано, что в случае гауссовского распределения интенсивности (М = 2) для углов неколлииеарности вплоть до 0.2 рад пространственные распределения интенсивностей исходной сигнальной волны, усиленной сигнальной и холостой волн близки. При гипергауссовском распределении интенсивности (М=10) падающей волны уже при угле 0.1 рад распределения интенсивностей усиленной сигнальной волны и холостой значительно
- Київ+380960830922