Содержание
Введение..........................................................................4
Глава 1 Исследование нестационарной генерации второй гармоники сверхмощного фемтосекундного излучения с учетом дисперсии и кубичной нелинейности.............16
1.1 Дисперсионные эффекты и процессе генерации второй гармоники................17
1.1.1 Групповое разбегание и расплывание импульсов...........................17
1.1.2 Изменение длины группового разбегания импульсов в кристалле 1ЖЭР 21
1.2 Влияние нелинейного набега фазы у волн первой и второй гармоники на эффективность преобразовании в квазпстатическом режиме генерации.............24
1.2.1 Модель плоских монохроматических волн..................................24
1.2.2 Экспериментальное исследование эффективности преобразования во ВГ от направления распространения в нелинейном элементе........................28
1.2.3 Временная модель генерации второй гармоники. Квазистатичсский режим ГВГ .........................................................................29
1.2.4 Экспериментальные результаты...........................................33
1.3 Совместное влияние кубичной нелинейности и дисперсионных эффектов 39
1.3.1 Сравнительный анализ генерации второй гармоники сверхмощного лазерного излучения с центральными длинами волн 800 им и 910 нм в кристалле КЭР....40
1.3.2 Сокращение длительности и повышение временного контраста..............*15
Выводы....................................................................... 47
Глава 2 Мелкомасштабная самофокусировка в процессе генерации второй гармоники свсрхсильным лазерным полем.................................................... 49
2.1 Линейная модель развития неустойчивости гармонических возмущений плоских монохроматических волн...............................................50
2.1.1 Постановка задачи. Основные уравнения и граничные условия..............50
2.1.2 Коэффициенты усиления гармонических возмущений.........................52
2.1.3 Оценки критического уровня шума в волне первой гармоники...............56
2.2 Самофилы рация лазерного излучения.........................................57
2.2.1 Зависимость интегрального коэффициента усиления гармонических возмущений от угла видения нелинейного элемента..........................57
2.2.2 Усиление мощности шума.................................................59
2.2.3 Экспериментальное исследование эффекта самофилы рации интенсивных лазерных импульсов.......................................................61
2.3 Нелинейный элемент удвоителя частоты как источник пространственных возмущений...................................................................66
2.3.1 Поверхностные источники шума. Коэффициенты усиления пространственных возмущений...............................................................67
2.3.2 Статистические характеристики шероховатости поверхности. Усиление мощности шума............................................................70
2.3.3 Экспериментальное исследование развития мелкомасштабной самофокусировки от поверхностных источников шума.........................................77
2.3.4 Рассеяние света па неоднородной структуре показателя преломления в процессе ГВГ сверхсплыюго лазерного поля. Линеаризованные уравнения и граничные условия..................................................................78
2.3.5 Моделирование неустойчивости плоских монохроматических волн в неоднородной анизотропной среде при учете квадратичной и кубичной нелинейности 80
Выводы.........................................................................84
Глава 3 Измерение временного профиля интенсивности...............................85
3.1 Коррелятор третьего порядка для измерений временного профиля интенсивности..................................................................86
9
3.1.1 Принцип работы одноимпульсного коррелятора третьего порядка............86
3.1.2 Измерение АКФ интенсивности гретьего порядка...........................88
3.1.3 Связь корреляционной функции и контраста...............................89
3.1.4 Экспериментальные результаты и выводы..................................92
3.2 Измеритель контраста на основе параметрического усилении...................95
3.2.1 Экспериментальная установка и принцип работы...........................95
3.2.2 Наклон фронта интенсивности в призме...................................99
3.2.3 Особенности реализации процесса параметрического усиления.............100
3.2.4 Сравнительный анализ нелинейных элементов из кристаллов КНР и ИБО для параметрического усилителя фемтосекундного излучения....................104
3.2.5 Экспериментальные результаты..........................................111
Выводы......................................................................113
Заключение......................................................................116
э
Введение
Применение технологии усиления чнрпированных импульсов (Chirped Pulse Amplification CPA) при создании сверхмощных лазерных комплексов позволило получать оптическое излучение петаваттного уровня мощное i и [1-4]. Впервые петанаттный рубеж был преодолен в 1996 г. на лазерной системе [5], использующей технологию СРА в активных элемешах из неодимового стекла. Параметры выходного лазерного излучения были следующие: длительность 440 фс и энергия 600 Дж. В настоящее время пожалуй самым грандиозным международным проектом по генерации ультракоротких сверхсильных лазерных импульсов является проект ELI (Extrecm Light Infrastructure), целыо которого является достижение пиковой мощности в диапазоне от 50 до 1000 ПВ г при энергии в лазерном импульсе соизмеримой с кДж уровенем и длительностью менее 20 фс. Узкая полоса усиления в неодимовом стекле не позволяет дальше продвигаться в сторону увеличения пиковой мощности за счет сокращения длительности оптических импульсов. Наиболее перспективные направления по решению такой глобальной задачи основаны на усилении чирпированных импульсов [61 в кристалле сапфира (корунд с титаном) [1] или параметрическом усилении (Optical Parametric Chirped Pulse Amplilicaation OPCJPA) в условиях сверхширокополосного синхронизма в нелинейном кристалле DKDP [7-9], а также совместной реализации этих подходов. 13 настоящее время достигнут определенный npoipecc в развитии указанных направлений, так в лазерах, использующих Ti:сапфир в качестве активной срсдьт, было получено излучение с энергией 28 Дж при 33 фс длительности с центральной длиной волны 800 нм [1], при параметрическом усилении в кристалле DKDP 24 Дж ,43 фс и 910 нм, что соответствует пиковой мощности 0.56 ПВт [7, 9]. Лазерные комплексы, в основе работы которых лежит принцип параметрического усиления чнрпированных импульсов обладают рядом преимуществ по отношению к СРА системам. Основные из них это: коэффициент усиления за один проход до Ю'1 против 10, направленное усиление лазерного излучения, отсутствие тепловых нагрузок в нелинейных элементах, низкий уровень спонтанной усиленной люмсиисценции. высокий временной контраст и др. [10]. Однако наиболее важным является их возможность масштабирования, что принципиально для достижения пиковой мощности в диапазоне требуемом для ELI.
Сфокусированное излучение лазерных систем петаваттного уровня мощности находит широкое применение в экспериментах по исследованию взаимодействия сверхсильных световых полей с газовыми и твердотельными мишенями [11-14]. Особый интерес представляют задачи по ускорению электронов и протонов с целью получения
моноэнергетичных сгустков высокой направленности. Для проведения подобных экспериментальных исследований важно обеспечить ряд требований к оптическому излучению со сверхбольшой пиковой мощностью. Наиболее важными оказываются временные характеристики профиля интенсивности, такие как длительность и временной контраст. Под контрастом понимают отношение интенсивности в главном пике к интенсивности на крыльях импульса. Фактически, знание о распределении временного профиля интенсивности необходимо для исключения возможности существенного изменения характеристик мишени до прихода основного импульса. В связи с эшм возникает необходимость в решении задач по измерению и оптимизации временных параметров лазерного излучения.
В настоящее время прямое измерение временных характеристик стандартными методами с использованием фотодиодов и осциллографов невозможно. Основные причины обусловлены недостаточным временным разрешением и малым динамическим диапазоном измерителей. Необходимый динамический диапазон определяется задачей по применению оптического излучения. Например, для экспериментов по взаимодействию света с твердотельными мишенями критическое значение интенсивности предимпульса определяется порогом образования плазмы и составляет около 101ОВт/см2. На сегодняшний момент мировой рекорд измеренной пиковой интенсивности лазерного импульса составляет 1022Вт/см2 [15]. Следовательно, даже для регистрации профиля интенсивности таких импульсов, на уровне близком к критическому значению, динамический диапазон прибора должен превышать 1012. Таким образом, измеритель временного профиля интенсивности должен обладать достаточным временным разрешением, а также огромным динамическим диапазоном.
Поскольку прямые измерения невозможны, в настоящее время широкое развитие получили методики, позволяющие получать информацию о временных параметрах импульсов из косвенных измерений. В частности, для определения длительности одного ультракороткого импульса, как правило, измеряют его автокорреляционную функцию интенсивности второго порядка, а для измерения временного контраста автокорреляционную функцию (АКФ) третьего порядка. Корреляторы второго порядка не позволяют различать прсдимпульсы от постимпульсов, а также обладают сравнительно небольшим динамическим диапазоном измерений, не превышающим 10* [16|.
Использование корреляторов третьего порядка, основанных на генерации второй и третьей гармоник, позволяет разрешить эти проблемы и обеспечить динамический диапазон Ю10 [17-20].
Подчеркнем, что приборы, используемые для измерения временного контраста интенсивных фемтосекундных лазерных импульсов, являются уникальными высокотехнологичными изделиями и проектируются индивидуально для параметров излучения каждого конкретного лазера.
Временной профиль интенсивности сверхмощных лазерных импульсов имеет достаточно сложную структуру, которая непосредственно связана с методом генерации и усиления лазерного излучения. В прикладных задачах часто возникает необходимость корректировки временного профиля. Особенно актуальными являются уменьшение длительности и увеличение временного контраста. Процесс генерации второй гармоники (ГВГ) применяется как в приборах для измерения, так и непосредственно для управления временными параметрами фемтосекундных лазерных импульсов. Рассмотрим основные аспекты процесса ГВГ интенсивного лазерного поля, большая часть которых не была детально исследована до начала выполнения настоящей работы.
В процессе преобразования ультракоротких интенсивных лазерных импульсов в излучение второй гармоники (ВГ) существенным оказывается влияние материальной дисперсии и кубичной нелинейности среды удвоителя час юты [21-26]. Вопрос о влиянии дисперсионных эффектов на процесс ГВГ при отсутствии влияния кубичной нелинейности достаточно хорошо изучен и рассмотрен в литературе [27-30]. Эффекты существенно зависят от свойств среды удвоителя частоты, длительности и центральной длины волны импульса перво!I гармоники. Поскольку наибольшая эффективность преобразования во вторую гармонику достигается в килзистатическом режиме взаимодействия, то особый интерес представляет задача о возможности управления дисперсионными свойствами нелинейной среды с целью уменьшения длины группового разбегания импульсов первой и второй гармоники. В частноеги, в процессе роста кристаллов ОЮЭР существует возможное гь изменения степени дсйтсрирования, которая в свою очередь значительно влияет на дисперсионные свойства нелинейного элемента. Отмстим, что до начала выполнения настоящей работы влияние с тепени дейгерирования в кристалле 1ЖГ)Р на длину группового разбегания импульсов не был изучен.
Процесс генерации второй гармоники интенсивными фемтосекундными импульсами существенно зависит от кубичной поляризации среды. Интенсивное излучение, распространяясь в среде, накапливает нелинейную фазу (В - интеграл), которая приводит к нарушению условий фазового синхронизма и, как следствие, происходит снижение эффективности преобразования. Па важность этого факта указали Ахманов и Хохлов в 1972 году [21], однако, точные решения системы связанных уравнений, учитывающих само- и кросс-воздействие волн первой и второй гармоник, были получены
6
лишь в 1 с>84 году в рабою [22]. Там же была высказана идея о возможности компенсации нелинейного набега фазы за счет создания линейной расстройки волновых векторов. Позднее, получены условия оптимального взаимодействия сверхсильных лазерных полей для плоских монохроматических волн [23]. В литературе также предсктлены результат численного моделирования ДЛЯ импульсов С длительное 1ЫО несколько десятков фемтосекунд и интенсивностью 0 5-4.5 ТВ т/см2 [24, 26].
В кристалле K.DP существенным оказывается совмесшое влияние дисперсионных эффектов и эффектов, обусловленных кубичной поляризацией среды, которые не были детально исследованы ни для 800 нм, ни для 910 нм. Указанный кристалл являемся наиболее оптимальным для преобразования интенсивного излучения во ВГ, поскольку нелинейный элемент из KDP может быть изготовлен апертурой более 10 см при толщине менее 1 мм.
Кубическая поляризация в процессе ГВГ интенсивного лазерного поля приводит к расширению н модификации спектра ВГ. Импульсы первой и второй гармоники перестают быть спектрально ограниченными и приобретают модуляцию спектральной фазы Возникший в процессе ГВГ нелинейный чирп полностью скомпенсировать нельзя. Существует возможность корректировки квадратичной составляющей фазы за счсг офажения от поверхности чирпирующих зеркал с целыо сокращения длительности Возможность дополнительной компрессии ннюнсивною излучения ВГ указанным методом нс была изучена до начала выполнения настоящей работы, однако принцип был успешно проверен в экспериментах но распространению лазерного излучения в средах обладающих только кубической нелинейностью [31, 32].
Еще одним проявлением кубической поляризации при ГВГ является процесс развития неустойчивости мелкомасштабной модуляции интенсивных лазерных пучков. Гармонические возмущения значительно усиливаются в области сильного поля, чю, в конечном счете, приводит к развитию мелкомасштабной самофокусировки (ММСФ) и пробою нелинейного элемента. Физическая модель линейной стадии развития процесса в среде, обладающей только кубической нелинейностью, была предложена и детально проанализирована в работе [33]. В работе [34] найдено аналитическое выражение для коэффициента усиления одной пространственной гармоники в зависимости oi В-нитеграла, пространственной частоты и начальной ([тазы гармонического возмущения. Усиление шума при значениях интеграла распада порядка единицы было теоретически и экспериментально исследовано в работе [35]. Развитие мелкомасштабной самофокусировки в процессе ГВГ требует дополнительного учета квадратичной нелинейности и условий фазового синхронизма для пространственных шумовых
7
компонент излучения основной частоты. Физическая модель процесса неустойчивости гармонических возмущений интенсивных лазерных пучков первой и второй гармоники не была разработана до начала выполнения настоящей работы.
Таким образом, задачи по измерению контраст, а также по кошролирусмому изменению параметров временного профиля интенсивности являются актуальными. Процесс удвоения частоты интенсивных лазерных импульсов является ключевым в настоящей работе, поскольку лежит в основе одноимпульсных систем контроля длительности и контраста, а также является универсальным средством управления временными параметрами.
Цель настоящей работы заключается в разработке методов управления и измерения временных параметров выходного излучения сверхмощных фемтосекундных лазеров с помощью генерации второй гармоники (ГВГ). В частности,
1. Теоретическое исследование возможности использования ГВГ для увеличения временного контраста и сокращения длительности интенсивных лазерных импульсов.
2. Разработка теоретической модели развития неустойчивости плоских монохроматических волн в средах с квадратичной и кубичной нелинейностью.
3. Теоретическое и экспериментальное исследование возможности самофильтрации пространственных шумов у интенсивных лазерных пучков.
4. Изучение влияния статистических характеристик неровностей поверхности и вариаций показателя преломления в объеме нелинейного элемента на генерацию и усиление пространственных шумов в процессе ГВГ интенсивного лазерного поля.
5. Создание моделей физических процессов, применяемых в приборах для измерения временного контраста стартовой части фемтосекундного лазерного комплекса [7|. Проведение экспериментов по измерению временного профиля интенсивности.
Новизна работы заключается в следующем:
1. Установлены оптимальные параметры нелинейных кристаллов KDP для высокоэффективной ГВГ лазерного поля с центральными длинами волн 800 нм (лазеры на ТкСапфирс) и 910 им (лазеры на параметрическом усилении в кристалле DKDP), в диапазоне длительностей 20+70 фс и интенсивностей 0.3^5 ТВт/см2.
2. В экспериментах получена высокоэффективная (около 70%) ГВГ лазерного поля при средней интенсивности иорядка 1 ТВт/см2 (при пиковой до 3+4 ТВт/см2) и центральной длины волны 910 им.
8
3. Предложена методика использования процесса ГВГ совместно с корректировкой спектральной фазы излучения для контролируемого сокращения длительности сверхмощных лазерных импульсов.
4. Предложен и экспериментально подтвержден принцип самофильтрацим интенсивного лазерною излучения, позволяющий исключить пространственные гармонические возмущения лазерного пучка, обладающие максимальным коэффициентом усиления, путем увеличения расстояния между источником шума (последним зеркалом) и нелинейным оптическим элементом. Принцип начинает работать для лазерною излучения со средней интенсивностью около 1 ТВт/см и выше.
5. Измерен временной контраст излучения стартовой части фемтосекундного петаватгного лазерного комплекса с использованием коррелятора третьего порядка интенсивности с динамическим диапазоном 10я.
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения. Объем работы составил 121 страницу. 65 рисунков, 65 ссылок.
Перка» глава посвящена исследованию вопросов нестационарной генерации второй гармоники сверхмощного фемтосекундного излучения и включает в себя три параграфа и раздел, в котором приводятся основные результаты.
Пара1раф 1.1 посвящен исследованию влияния эффектов группового разбегания и расплывания сверхкоротких импульсов на процесс удвоения частоты и состоит из двух разделов.
Раздел 1.1.1 посвящен теоретическому рассмотрению влияния дисперсионных эффектов на процесс удвоения частоты.
В разделе 1.1.2 на примере кристалла DKDP обсуждается возможность управления дисперсионными эффектами с целыо повышения эффективности преобразования в излучение ВГ.
Параграф 1.2 посвящен теоретическому и экспериментальному исследованию влияния кубичной нелинейности на процесс генерации второй гармоники выходного излучения петаватгного лазерного комплекса PEARL (7J. Параграф включает в себя четыре раздела. ,
В разделе 1.2.1 в рамках модели плоских монохроматических волн рассматривается влияние кубичной но полю поляризации среды на процесс генерации второй гармоники свсрхсильного лазерного поля. Теоретически показана возможность компенсации нелинейного набега фазы за счет отклонения излучения от направления синхронизма. Получены аналитические выражения для оптимальной угловой отстройки.
9
В разделе 1.2.2 представлены экспериментальные результаты по генерации второй гармоники сверхсильным лазерным полем. Экспериментально продемонстрирована возможность уменьшения влияния нелинейного набега фазы вносимого кубичной поляризацией (меюдом. описанным в первом разделе) на процесс удвоения частоты сверхсильного лазерного ноля.
В разделе 1.2.3 рассмотрена временная модель генерации второй гармоники при влиянии кубичной по полю поляризации. Определены оптимальные условия для проведения экспериментов по генерации второй гармоники интенсивного лазерного поля.
Раздел 1.2.4 посвящен экспериментальному исследованию генерации второй гармоники интенсивного лазерного поля с поперечными размерами пучка 10 мм и 4 мм в нелинейном элементе из KDP толщиной 1 мм при существенном влиянии эффектов кубичной поляризации. Достигнуто 70% преобразование но энергии в излучение с удвоенной частотой. В разделе обсуждается согласование теорежческой модели и экспериментальных результатов.
В параграфе 1.3 рассматриваются вопросы совместного влияния кубичной нелинейности и дисперсионных эффектов. Параграф включает в себя два раздела.
В разделе 1.3.1 обсуждается возможность генерации второй гармоники интенсивного излучения с длительностью 20 фс. Показано существенное отличие дисперсионных характеристик кристалла KDP для излучений с центральными длинами волн 910 нм и 800 нм.
В разделе 1.3.2 теоретически показана принципиальная возможность использования процесса генерации второй гармоники не только для повышения временного контраста импульсов, но и для дополнительного сокращения длительности сверхмощного излучения за счет корректировки квадратичной спектральной фазы.
Вторая глава настоящей работы посвящена исследованию явления мелкомасштабной самофокусировки (ММСФ) интенсивного излучения в средах с квадратичной и кубичной нелинейное!ыо [34-36], а также разработке методики ее подавления. Вторая глава включает в себя три параграфа и раздел, в котором приводятся основные результаты.
В параграфе 2.1 последовательно решена задача о линейной стадии развития неустойчивости плоских монохроматических волн в средах с квадратичной и кубичной нелинейностью [37]. Параграф состоит из трех разделов.
В разделе 2.1.1 получены линеаризованные уравнения, описывающие динамику развития неустойчивости, а также определены граничные условия для компонент поля гармонических возмущений.
10
- Київ+380960830922