НАНО- И СУБНАНОСЕКУНДНЫЕ ЛАЗЕРНЫЕ ИМПУЛЬСЫ С УПРАВЛЯЕМОЙ ВРЕМЕННОЙ ФОРМОЙ И СПЕКТРАЛЬНЫМ СОСТАВОМ ИЗЛУЧЕНИЯ
ЛАЗЕРНАЯ ФИЗИКА И ТЕХНИКА
УДК 621.373, 681.069
НАНО- И СУБНАНОСЕКУНДНЫЕ ЛАЗЕРНЫЕ ИМПУЛЬСЫ С УПРАВЛЯЕМОЙ ВРЕМЕННОЙ ФОРМОЙ И СПЕКТРАЛЬНЫМ СОСТАВОМ ИЗЛУЧЕНИЯ
© 2010 г. С. Г. Гаранин, член-корр. РАН; Б. Г. Зималин; В. В. Романов; Н. Н. Рукавишников, канд. физ.-мат. наук; С. В. Соколовский; С. А. Сухарев, доктор физ.-мат. наук; О. В. Триканова
Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики, федеральный ядерный центр, г. Саров, Нижегородская обл.
Е-mail: garanin@vniief.ru
Разработана и экспериментально опробована лазерная система, генерирующая нано- и субнаносекундные лазерные импульсы с временным и спектральным профилированием. Принцип работы системы основан на селекции спектральных компонент в устройстве растяжения фемтосекундных лазерных импульсов до единиц наносекунд и спектрального упорядочения излучения (стретчере). Экспериментально получены лазерные импульсы с крутыми (менее 100 пс) передними и задними фронтами. Исследовано усиление таких импульсов в регенеративном усилителе с физическим коэффициентом усиления 6×1017 до уровня энергии ≈ 5 мДж.
Ключевые слова: фемтосекундные импульсы, стретчер, спектральное профилирование.
Коды OCIS: 050.1590, 320.0320
Поступила в редакцию 30.05.2010
В современных лазерных установках, предназначенных для исследований в области управляемого термоядерного синтеза и взаимодействия оптического излучения с веществом, как правило, необходима заданная (профилированная) временная форма лазерного импульса, действующего на мишени [1–4]. При этом желательно иметь возможность оперативного изменения временного профиля лазерного импульса при проведении экспериментов. Кроме того, для подавления поперечного ВРМБ в большеапертурных оптических элементах на выходе установки и задействования методик однородного облучения мишени (например – SSD – smoothing by spectral dispersion) необходим широкий, вплоть до единиц нанометров, спектральный состав излучения [5, 6].
Эти требования на установках NIF, LMJ и OMEGA реализуются путем временного профилирования и фазовой модуляции лазерного импульса в стартовой системе [5–10]. Разработанные для этих установок фазовые и амплитудные модуляторы базируются на специфических интегрально-оптических устройствах и средствах их управления.
Возможность управления временной и спектральной формами лазерного импульса заключается в модуляции амплитуд спектральных компонентов с помощью транспаранта, помещенного в стретчере – устройстве, осуществляющем временное растяжение и спектральную упорядоченность сверхкороткого лазерного импульса. Ранее такой способ применялся для управления амплитудами и фазами спектральных компонент при компрессии чирпированных лазерных импульсов [11].
Современные задающие генераторы сверхкоротких лазерных импульсов излучают спектрально ограниченные импульсы длительностью в десятки и сотни фемтосекунд. Так как сверхкороткие импульсы обладают широким спектром (для длины волны излучения λ = 1054 нм и длительности импульса τ ≈ 200 фс ширина спектра составляет Δλ ≈ 8,3 нм), то их временное растяжение и спектральное упорядочение (чирпирование) легко осуществляются в дисперсионной системе (стретчере) на основе одной или нескольких дифракционных решеток [11, 12]. Типичная схема линзового двухпроходного стретчера, применяемая в наших экспериментах, показана на рис. 1.
26 “Оптический журнал”, 77, 10, 2010
Выход Вход
Ретрозеркало (уголковый отражатель)
Дифракционная решетка
4 1
2 3
Линза
Экран
Спектр
0
Поворотное зеркало
Поворотное зеркало
Рис. 1. Принципиальная оптическая схема стретчера.
Идея временного профилирования импульса излучения заключается в следующем. На разложенном в спектр пучке после первого отражения от дифракционной решетки вблизи поворотного зеркала со стороны более длинноволновых спектральных компонентов помещается непрозрачный экран с резким краем (если необходим крутой передний фронт лазерного импульса на выходе стретчера). Спектральные компоненты, идущие на переднем фронте импульса, будут резко обрезаться. Это приведет к крутому переднему фронту импульса излучения на выходе стретчера. Крутизна переднего фронта, повидимому, будет определяться спектральным составом импульса на выходе стретчера и составит τфр ≤ 1 пс [11]. Таким же образом, поместив экран со стороны коротковолновых спектральных компонентов, можно обрезать и задний фронт, получив квазипрямоугольный импульс. Если вблизи поворотного зеркала поместить специально изготовленную маску с заданным профилем пропускания, то на выходе стретчера будет получен профилированный импульс.
Сделаем оценки возможностей вырезания импульса длительностью τ0,5 ≈ 1,6 нс с крутыми передним и задним фронтами. Зависимость фазы Φ импульса излучения от времени t на выходе стретчера дается выражением [11]
Φ(t) = ω0t + αt2,
(1)
где α – скорость чирпа, ω0 – центральная частота волны.
Частота ω импульса будет иметь линейный по времени чирп
ω
(t)
=
∂Φ ∂t
=
ω0
+ 2αt.
(2)
Отсюда зависимость длины волны от времени дается выражением
λ(t) = c
⎜⎛⎝⎜⎜
c λ0
+
2απt ⎞⎟⎟⎟⎟⎠,
(3)
где с – скорость света, λ0 – центральная длина волны.
Скорость чирпа α можно определить, задавшись длительностью импульсов на входе τфс и выходе τстр стретчера
α = 2πA/(τôñτñòð),
(4)
где τфс – длительность фемтосекундного импульса, τстр – длительность чирпированного импульса после стретчера, А ≈ τфсΔν – константа, зависящая от формы импульса; Δν – частотная ширина спектра. Для гауссова импульса А ≈ 0,44.
На рис. 2 приведена рассчитанная по формулам (3) и (4) зависимость длины волны чирпимпульса на выходе стретчера от времени при λ0 = 1054 нм; А = 0,44; τфс = 250 фс; τстр = 1,65 нс. Там же приведена гауссова временная форма лазерного импульса на выходе стретчера.
Длительность лазерного импульса на выходе стретчера в случае резкого обрезания переднего и заднего фронтов зависит от уровня обрезания спектра. Как показали эксперименты по усилению чирп-импульса в усилительных системах на неодимовом фосфатном стекле [13–15], при усилении с энергии Евх ≈ 1 нДж до Евых ≈ 1 кДж происходит сужение спектральной ширины импульса до Δλвых ≈ 3–4 нм. Близкое значение было получено и в наших экспериментах. Поэтому для получения резких фронтов можно обрезать спектр импульса до Δλ ≈ 3 нм. Как видно из рис. 2,
Длина волны, нм
1064 1060
(t)
1
1056 1052
6,5 нм
2 нм
0,5
1048
0,6 нс
1,65 нс
1044
0
–3 –2 –1
0
1
2
3
Время, нс
Рис. 2. Зависимость длины волны в чирп-им-
пульсе от времени при τфс = 250 фс, τстр = = 1,65 нс.
“Оптический журнал”, 77, 10, 2010
27
при обрезании спектральных компонентов до Δλ ≈ 2 нм длительность квазипрямоугольного импульса составит τ0,5 ≈ 0,6 нс.
Установка, на которой проводились экспериментальные исследования получения крутых (τ0,5 ≈ τ0,1–0,9 ≤ 100 пс) переднего и заднего фронтов лазерного импульса, состояла из задающего генератора GLX-200 с длительностью импульса τ0,5 ≈ 250 фс и шириной спектра излучения Δλ = 6,5 нм, с центральной длиной волны, регулируемой в пределах от 1053 нм до 1058 нм, стретчера и регенеративного усилителя. Регистрацию спектра осуществляли с помощью спектрометра фирмы Ocean Optics HR4000 (точность измерений 0,1 нм). Схема стретчера приведена на рис. 1. Стретчер построен по четырехпроходной схеме с одной дифракционной решеткой размером 180×110 мм и числом штрихов 1700 мм–1.
Лазерный импульс после стретчера усиливается в кольцевом регенеративном усилителе (рис. 3). Активной средой регенеративного усилителя, применяемого в экспериментах, является неодимовое фосфатное стекло.
Для ввода импульса в регенеративный усилитель применяется ячейка Поккельса ЯП1 с окном пропускания длительностью 8 нс. Поляризационные зеркала с малым пропусканием “чужой” поляризации (Ts < 0,2%) и ячейка Поккельса ЯП2 с регулируемой длительностью окна пропускания, в сочетании с полуволновой пластинкой, обеспечивают требуемое число проходов импульса по усиливающей среде и вывод излучения из резонатора. В момент инжектирования лазерного импульса в резонатор на ячейке Поккельса ЯП2 напряжения нет. После прохождения полуволновой пластинки плоскость поляризации излучения поворачивается на 90°,
ЗД
З
/2 K
П ЯП2
П ЯП1
Рис. 3. Оптическая схема регенеративного усилителя. ЯП1 – ячейка Поккельса с окном пропускания 8 нс; П – поляризационное зеркало; З – зеркало; Д – диафрагма; K – квантрон; ЯП2 – ячейка Поккельса с регулируемым окном пропускания.
пучок отражается от поляризационных зеркал и остается в резонаторе. Для того чтобы оставить излучение в резонаторе (для обеспечения необходимого числа проходов), на ячейку Поккельса ЯП2 подается полуволновое напряжение перед приходом на нее импульса второй раз, и излучение становится запертым внутри резонатора. После совершения необходимого числа проходов напряжение ячейки Поккельса ЯП2 сбрасывается и импульс излучения выводится из резонатора.
Внутри резонатора усилителя располагается селектирующая диафрагма. Диаметр этой диафрагмы и длина резонатора определяют размеры пучка в соответствующих точках оптической схемы и его расходимость. При длине резонатора L = 300 см и размещении диафрагмы диаметром 2R = 1,5 мм на выходе из активной среды пучок, продифрагировавший на ней и сделавший один обход резонатора, на входе в активную среду будет иметь число Френеля NΦ = R2/λL ≈ 0,2. То есть на вход активной среды поступает дальняя зона пучка и мы можем работать с центральной, гладкой частью пучка (кружок Эйри) диаметром D ≈ 2,44×(λ/2R)×L ≈ 5 мм. Эта же диафрагма обеспечивает уровень угловой селекции θсел ≈ 2R/L ≈ 5×10–4 рад. Дифракционные потери компенсируются высоким коэффициентом усиления активной среды. Для подавления импульсов, прошедших через выходное поляризационное зеркало от различных проходов, на выходе регенеративного усилителя помещается затвор Поккельса.
Оптическая схема регенеративного усилителя обеспечивает размер пучка в активном элементе, при котором интеграл распада не превышает критического значения. Дифракционное качество пучка на выходе усилителя сохраняется.
Усиление происходит с уровня энергии Евх ≈ ≈ 0,05 нДж до Евых ≈ 5 мДж (за 21 проход) в режиме слабого сигнала (K0 ≈ 7 на проход), то есть физический коэффициент усиления достигал (K0)21 ≈ 5,6×1017. Пропускание оптического тракта Т ≈ 0,34 на проход. Технический коэффициент усиления составлял Kус = Евых/Евх = = (K0Т)21 ≈ 108.
Измерения временной формы лазерных импульсов проводили на осциллографе Tektronix DSO80604B с полосой 6 ГГц и датчиком ДФДМШ-70-06 с полосой пропускания 5 ГГц. Аппаратную функцию этих приборов измеряли при помощи фемтосекундного излучения на выходе задающего генератора GLX-200. При
28 “Оптический журнал”, 77, 10, 2010
1
(а) 1
(в)
0,8 0,75
0,6
0,4 0,5
0,2 0,25
0
0
12 3 4
1052
1054
1056
1058
11
0,8 (б)
(г)
0,75
0,6
0,4 0,5
0,2
0 3,5
4,5 5,5
Время, нс
0,25 0
6,5 1052
1054
1056
Длина волны, нм
1058
Рис. 4. Временная форма непрофилированного импульса (а, б) и его спектр (в, г) до усиления (а, в) и после усиления (б, г) в регенеративном усилителе. Модуляция временной формы на вершине импульса вызвана дефектами дифракционной решетки стретчера.
отклике на сверхкороткий импульс длительность переднего фронта и длительность импульса по полувысоте составляли (τ0,1–0,9)ап ≈ (τ0,5)ап ≈ ≈ 100 пс.
Исследования спектрального профилирования лазерного импульса и получение крутых фронтов τфр ≈ τап ≈ 100 пс проводили в два этапа: сначала измеряли спектр и длительность импульса на выходе стретчера, затем после усиления – в регенеративном усилителе. Было проведено три серии измерений.
Сначала измерялись параметры исходного, непрофилированного, импульса до и после усиления. На рис. 4а временная форма исходного импульса не имеет гауссову форму из-за обрезания части излучения на краях дифракционной решетки. При усилении сужение спектра с Δλ0,5 ≈ 4,2 нм до Δλ0,5 ≈ 2,2 нм привело к уменьшению длительности усиленного импульса с τ0,5 ≈ ≈ 1,6 нс до τ0,5 ≈ 0,6 нс.
Вторая серия экспериментов проводилась с вырезанным передним фронтом. На рис. 5а видно, что путем обрезания части длин волн в красной области спектра в стретчере сформирован крутой передний фронт с длительностью по-
“Оптический журнал”, 77, 10, 2010
1 (а)
0,8 0,6 0,4
0,2
0 1,5 2,5 3,5 4,5
1
0,8 (б)
0,6 0,4
0,2
0 1234
Время, нс Рис. 5. Временная форма импульса с вырезанным передним фронтом до (а) и после (б) усиления в регенеративном усилителе.
29
1
(а) 1
(в)
0,8 0,75
0,6
0,4 0,5
0,2 0,25
0
0
1 234
1052
1054
1056
1058
11
0,8 (б)
(г)
0,75
0,6
0,4 0,5
0,2 0,25
0
0
1 234
1052
1054
1056
1058
Время, нс
Длина волны, нм
Рис. 6. Временная форма импульса (а, б) и его спектр (в, г) с вырезанными передним и задним фронтами до усиления (а, в) и после усиления (б, г) в регенеративном усилителе.
рядка аппаратной функции (менее 90 пс), и после усиления он сохраняется неизменным (рис. 5б).
В третьей серии экспериментов на выходе стретчера был сформирован импульс длительностью τ0,5 ≈ 430 пс с крутыми (длительностью порядка аппаратной функции) передним и задним фронтами с шириной спектра Δλ0,5 ≈ 1,5 нм (рис. 6). После усиления его форма, передний и задний фронты остались практически без изменений. Спектральный состав импульса также практически не изменился.
Таким образом, была проведена экспериментальная проверка временного и спектрального профилирования наносекундного импульса чисто пассивными устройствами в стретчере путем помещения на разложенном после первого отражения от дифракционной решетки в спектр пучке соответствующей маски. На выходе стретчера получены крутые передний и задний фронты лазерного импульса, а также квазипрямоугольный импульс. Экспериментально показано, что при значительном (6×1017 раз) усилении чирпированного импульса с резким передним фронтом не происходит затягивания фронта, по крайней мере, в пределах аппаратной функции измерительной системы τап ≈ 100 пс, и сохраняется
квазипрямоугольная временная форма импульса при ширине спектра Δλ0,5 ≈ 1,5 нм.
Работа выполнена при частичной поддержке МНТЦ (проект № 3683) и РФФИ (проект № 0902-12157).
ЛИТЕРАТУРА
1. Burkhart S.C., Penko F.A. Temporal Pulse Shaping of Fiber-Optic Laser Beams // ICF quarterly report, Lawrence Livermore National Laboratory, UCRLLR-105821-96-2. Р. 75–81.
2. Малинов В.А., Чернов В.Н. Формирование лазерных импульсов дефлекторными кристаллами // Квант. электрон. 1980. V. 17. С. 586–588.
3. Wallace J. Laser Pulse delivers ignition-sized punch // Laser Focus World. August 2003. Р. 24–28.
4. Shaw M., Williams W., House R., Haynam C. Laser performance operation model // Opt. Engin. 2004. V. 43. P. 2885–2889.
5. Crane J.K., Wilcox R.B., Hopps N.W. Integrated operations of the National Ignition Facility (NIF) optical pulse generation development system // SPIE. 2003. V. 100. P. 3492–3495.
6. Jolly A., Gleyze J.F., Luce J., Coic H., Deschaseaux G. Front-end sources of the LIL-LMJ fusion lasers:
30 “Оптический журнал”, 77, 10, 2010
progress report and prospects // Opt. Engin. 2003. V. 42. P. 1427–1432.
7. Wilcox R.B., Van Wonterghem B.M., Burkhart S.C., Davin J.M. Multiple-Beam Pulse Shaping and Preamplification // Proceedings of the I.A.E.A. technical committee meeting on drivers for inertial confinement fusion. 1994. P. 91–100.
8. Burkhart S.C., Beach R.J., Crane J.H. The National Ignition Facility Front-End Laser System // SPIE Proceedings Series. “First Annual International Conference on Solid State Lasers for Application to Inertial Confinement Fusion”. 1995. V. 48 P. 2633– 2637.
9. The OMEGA Laser Pulse-Shaping System // LLE Annual Report, University of Rochester Laboratory for Laser Energetics. 1995. Р. 56–61.
10. A High-Bandwith Electrical-Waveform Generator Based on Aperture-Coupled Striplines for OMEGA
Pulse-Shaping Applications // Quarterly Report, University of Rochester Laboratory for Laser Energetics. 1997. V. 73. P. 1.
11. Ахманов С.А., Выслоух В.А., Чиркин А.С. Оптика фемтосекундных лазерных импульсов. М.: Наука, 1988. 240 с.
12. Крюков П.Г. Лазеры ультракоротких импульсов // Квант. электрон. 2001. Т. 95. C. 31–36.
13. Stuart B.C., Perry M.D., Miller J. 125-TW Ti:sapphire/Nd:glass laser system // Opt. Lett. 1997. V. 22. P. 242–246.
14. Perry M.D., Pennington D., Stuart B.C. Petawatt laser pulses // Opt. Lett. 1999. V. 160. P. 24–28.
15. Kitagawa Y., Fujita H., Kodama R. Petawatt Laser Construction // Annual Progress Report. Institute of Laser Engineering. Osaka University. 2000. P. 3–4.
“Оптический журнал”, 77, 10, 2010
31
УДК 621.373, 681.069
НАНО- И СУБНАНОСЕКУНДНЫЕ ЛАЗЕРНЫЕ ИМПУЛЬСЫ С УПРАВЛЯЕМОЙ ВРЕМЕННОЙ ФОРМОЙ И СПЕКТРАЛЬНЫМ СОСТАВОМ ИЗЛУЧЕНИЯ
© 2010 г. С. Г. Гаранин, член-корр. РАН; Б. Г. Зималин; В. В. Романов; Н. Н. Рукавишников, канд. физ.-мат. наук; С. В. Соколовский; С. А. Сухарев, доктор физ.-мат. наук; О. В. Триканова
Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики, федеральный ядерный центр, г. Саров, Нижегородская обл.
Е-mail: garanin@vniief.ru
Разработана и экспериментально опробована лазерная система, генерирующая нано- и субнаносекундные лазерные импульсы с временным и спектральным профилированием. Принцип работы системы основан на селекции спектральных компонент в устройстве растяжения фемтосекундных лазерных импульсов до единиц наносекунд и спектрального упорядочения излучения (стретчере). Экспериментально получены лазерные импульсы с крутыми (менее 100 пс) передними и задними фронтами. Исследовано усиление таких импульсов в регенеративном усилителе с физическим коэффициентом усиления 6×1017 до уровня энергии ≈ 5 мДж.
Ключевые слова: фемтосекундные импульсы, стретчер, спектральное профилирование.
Коды OCIS: 050.1590, 320.0320
Поступила в редакцию 30.05.2010
В современных лазерных установках, предназначенных для исследований в области управляемого термоядерного синтеза и взаимодействия оптического излучения с веществом, как правило, необходима заданная (профилированная) временная форма лазерного импульса, действующего на мишени [1–4]. При этом желательно иметь возможность оперативного изменения временного профиля лазерного импульса при проведении экспериментов. Кроме того, для подавления поперечного ВРМБ в большеапертурных оптических элементах на выходе установки и задействования методик однородного облучения мишени (например – SSD – smoothing by spectral dispersion) необходим широкий, вплоть до единиц нанометров, спектральный состав излучения [5, 6].
Эти требования на установках NIF, LMJ и OMEGA реализуются путем временного профилирования и фазовой модуляции лазерного импульса в стартовой системе [5–10]. Разработанные для этих установок фазовые и амплитудные модуляторы базируются на специфических интегрально-оптических устройствах и средствах их управления.
Возможность управления временной и спектральной формами лазерного импульса заключается в модуляции амплитуд спектральных компонентов с помощью транспаранта, помещенного в стретчере – устройстве, осуществляющем временное растяжение и спектральную упорядоченность сверхкороткого лазерного импульса. Ранее такой способ применялся для управления амплитудами и фазами спектральных компонент при компрессии чирпированных лазерных импульсов [11].
Современные задающие генераторы сверхкоротких лазерных импульсов излучают спектрально ограниченные импульсы длительностью в десятки и сотни фемтосекунд. Так как сверхкороткие импульсы обладают широким спектром (для длины волны излучения λ = 1054 нм и длительности импульса τ ≈ 200 фс ширина спектра составляет Δλ ≈ 8,3 нм), то их временное растяжение и спектральное упорядочение (чирпирование) легко осуществляются в дисперсионной системе (стретчере) на основе одной или нескольких дифракционных решеток [11, 12]. Типичная схема линзового двухпроходного стретчера, применяемая в наших экспериментах, показана на рис. 1.
26 “Оптический журнал”, 77, 10, 2010
Выход Вход
Ретрозеркало (уголковый отражатель)
Дифракционная решетка
4 1
2 3
Линза
Экран
Спектр
0
Поворотное зеркало
Поворотное зеркало
Рис. 1. Принципиальная оптическая схема стретчера.
Идея временного профилирования импульса излучения заключается в следующем. На разложенном в спектр пучке после первого отражения от дифракционной решетки вблизи поворотного зеркала со стороны более длинноволновых спектральных компонентов помещается непрозрачный экран с резким краем (если необходим крутой передний фронт лазерного импульса на выходе стретчера). Спектральные компоненты, идущие на переднем фронте импульса, будут резко обрезаться. Это приведет к крутому переднему фронту импульса излучения на выходе стретчера. Крутизна переднего фронта, повидимому, будет определяться спектральным составом импульса на выходе стретчера и составит τфр ≤ 1 пс [11]. Таким же образом, поместив экран со стороны коротковолновых спектральных компонентов, можно обрезать и задний фронт, получив квазипрямоугольный импульс. Если вблизи поворотного зеркала поместить специально изготовленную маску с заданным профилем пропускания, то на выходе стретчера будет получен профилированный импульс.
Сделаем оценки возможностей вырезания импульса длительностью τ0,5 ≈ 1,6 нс с крутыми передним и задним фронтами. Зависимость фазы Φ импульса излучения от времени t на выходе стретчера дается выражением [11]
Φ(t) = ω0t + αt2,
(1)
где α – скорость чирпа, ω0 – центральная частота волны.
Частота ω импульса будет иметь линейный по времени чирп
ω
(t)
=
∂Φ ∂t
=
ω0
+ 2αt.
(2)
Отсюда зависимость длины волны от времени дается выражением
λ(t) = c
⎜⎛⎝⎜⎜
c λ0
+
2απt ⎞⎟⎟⎟⎟⎠,
(3)
где с – скорость света, λ0 – центральная длина волны.
Скорость чирпа α можно определить, задавшись длительностью импульсов на входе τфс и выходе τстр стретчера
α = 2πA/(τôñτñòð),
(4)
где τфс – длительность фемтосекундного импульса, τстр – длительность чирпированного импульса после стретчера, А ≈ τфсΔν – константа, зависящая от формы импульса; Δν – частотная ширина спектра. Для гауссова импульса А ≈ 0,44.
На рис. 2 приведена рассчитанная по формулам (3) и (4) зависимость длины волны чирпимпульса на выходе стретчера от времени при λ0 = 1054 нм; А = 0,44; τфс = 250 фс; τстр = 1,65 нс. Там же приведена гауссова временная форма лазерного импульса на выходе стретчера.
Длительность лазерного импульса на выходе стретчера в случае резкого обрезания переднего и заднего фронтов зависит от уровня обрезания спектра. Как показали эксперименты по усилению чирп-импульса в усилительных системах на неодимовом фосфатном стекле [13–15], при усилении с энергии Евх ≈ 1 нДж до Евых ≈ 1 кДж происходит сужение спектральной ширины импульса до Δλвых ≈ 3–4 нм. Близкое значение было получено и в наших экспериментах. Поэтому для получения резких фронтов можно обрезать спектр импульса до Δλ ≈ 3 нм. Как видно из рис. 2,
Длина волны, нм
1064 1060
(t)
1
1056 1052
6,5 нм
2 нм
0,5
1048
0,6 нс
1,65 нс
1044
0
–3 –2 –1
0
1
2
3
Время, нс
Рис. 2. Зависимость длины волны в чирп-им-
пульсе от времени при τфс = 250 фс, τстр = = 1,65 нс.
“Оптический журнал”, 77, 10, 2010
27
при обрезании спектральных компонентов до Δλ ≈ 2 нм длительность квазипрямоугольного импульса составит τ0,5 ≈ 0,6 нс.
Установка, на которой проводились экспериментальные исследования получения крутых (τ0,5 ≈ τ0,1–0,9 ≤ 100 пс) переднего и заднего фронтов лазерного импульса, состояла из задающего генератора GLX-200 с длительностью импульса τ0,5 ≈ 250 фс и шириной спектра излучения Δλ = 6,5 нм, с центральной длиной волны, регулируемой в пределах от 1053 нм до 1058 нм, стретчера и регенеративного усилителя. Регистрацию спектра осуществляли с помощью спектрометра фирмы Ocean Optics HR4000 (точность измерений 0,1 нм). Схема стретчера приведена на рис. 1. Стретчер построен по четырехпроходной схеме с одной дифракционной решеткой размером 180×110 мм и числом штрихов 1700 мм–1.
Лазерный импульс после стретчера усиливается в кольцевом регенеративном усилителе (рис. 3). Активной средой регенеративного усилителя, применяемого в экспериментах, является неодимовое фосфатное стекло.
Для ввода импульса в регенеративный усилитель применяется ячейка Поккельса ЯП1 с окном пропускания длительностью 8 нс. Поляризационные зеркала с малым пропусканием “чужой” поляризации (Ts < 0,2%) и ячейка Поккельса ЯП2 с регулируемой длительностью окна пропускания, в сочетании с полуволновой пластинкой, обеспечивают требуемое число проходов импульса по усиливающей среде и вывод излучения из резонатора. В момент инжектирования лазерного импульса в резонатор на ячейке Поккельса ЯП2 напряжения нет. После прохождения полуволновой пластинки плоскость поляризации излучения поворачивается на 90°,
ЗД
З
/2 K
П ЯП2
П ЯП1
Рис. 3. Оптическая схема регенеративного усилителя. ЯП1 – ячейка Поккельса с окном пропускания 8 нс; П – поляризационное зеркало; З – зеркало; Д – диафрагма; K – квантрон; ЯП2 – ячейка Поккельса с регулируемым окном пропускания.
пучок отражается от поляризационных зеркал и остается в резонаторе. Для того чтобы оставить излучение в резонаторе (для обеспечения необходимого числа проходов), на ячейку Поккельса ЯП2 подается полуволновое напряжение перед приходом на нее импульса второй раз, и излучение становится запертым внутри резонатора. После совершения необходимого числа проходов напряжение ячейки Поккельса ЯП2 сбрасывается и импульс излучения выводится из резонатора.
Внутри резонатора усилителя располагается селектирующая диафрагма. Диаметр этой диафрагмы и длина резонатора определяют размеры пучка в соответствующих точках оптической схемы и его расходимость. При длине резонатора L = 300 см и размещении диафрагмы диаметром 2R = 1,5 мм на выходе из активной среды пучок, продифрагировавший на ней и сделавший один обход резонатора, на входе в активную среду будет иметь число Френеля NΦ = R2/λL ≈ 0,2. То есть на вход активной среды поступает дальняя зона пучка и мы можем работать с центральной, гладкой частью пучка (кружок Эйри) диаметром D ≈ 2,44×(λ/2R)×L ≈ 5 мм. Эта же диафрагма обеспечивает уровень угловой селекции θсел ≈ 2R/L ≈ 5×10–4 рад. Дифракционные потери компенсируются высоким коэффициентом усиления активной среды. Для подавления импульсов, прошедших через выходное поляризационное зеркало от различных проходов, на выходе регенеративного усилителя помещается затвор Поккельса.
Оптическая схема регенеративного усилителя обеспечивает размер пучка в активном элементе, при котором интеграл распада не превышает критического значения. Дифракционное качество пучка на выходе усилителя сохраняется.
Усиление происходит с уровня энергии Евх ≈ ≈ 0,05 нДж до Евых ≈ 5 мДж (за 21 проход) в режиме слабого сигнала (K0 ≈ 7 на проход), то есть физический коэффициент усиления достигал (K0)21 ≈ 5,6×1017. Пропускание оптического тракта Т ≈ 0,34 на проход. Технический коэффициент усиления составлял Kус = Евых/Евх = = (K0Т)21 ≈ 108.
Измерения временной формы лазерных импульсов проводили на осциллографе Tektronix DSO80604B с полосой 6 ГГц и датчиком ДФДМШ-70-06 с полосой пропускания 5 ГГц. Аппаратную функцию этих приборов измеряли при помощи фемтосекундного излучения на выходе задающего генератора GLX-200. При
28 “Оптический журнал”, 77, 10, 2010
1
(а) 1
(в)
0,8 0,75
0,6
0,4 0,5
0,2 0,25
0
0
12 3 4
1052
1054
1056
1058
11
0,8 (б)
(г)
0,75
0,6
0,4 0,5
0,2
0 3,5
4,5 5,5
Время, нс
0,25 0
6,5 1052
1054
1056
Длина волны, нм
1058
Рис. 4. Временная форма непрофилированного импульса (а, б) и его спектр (в, г) до усиления (а, в) и после усиления (б, г) в регенеративном усилителе. Модуляция временной формы на вершине импульса вызвана дефектами дифракционной решетки стретчера.
отклике на сверхкороткий импульс длительность переднего фронта и длительность импульса по полувысоте составляли (τ0,1–0,9)ап ≈ (τ0,5)ап ≈ ≈ 100 пс.
Исследования спектрального профилирования лазерного импульса и получение крутых фронтов τфр ≈ τап ≈ 100 пс проводили в два этапа: сначала измеряли спектр и длительность импульса на выходе стретчера, затем после усиления – в регенеративном усилителе. Было проведено три серии измерений.
Сначала измерялись параметры исходного, непрофилированного, импульса до и после усиления. На рис. 4а временная форма исходного импульса не имеет гауссову форму из-за обрезания части излучения на краях дифракционной решетки. При усилении сужение спектра с Δλ0,5 ≈ 4,2 нм до Δλ0,5 ≈ 2,2 нм привело к уменьшению длительности усиленного импульса с τ0,5 ≈ ≈ 1,6 нс до τ0,5 ≈ 0,6 нс.
Вторая серия экспериментов проводилась с вырезанным передним фронтом. На рис. 5а видно, что путем обрезания части длин волн в красной области спектра в стретчере сформирован крутой передний фронт с длительностью по-
“Оптический журнал”, 77, 10, 2010
1 (а)
0,8 0,6 0,4
0,2
0 1,5 2,5 3,5 4,5
1
0,8 (б)
0,6 0,4
0,2
0 1234
Время, нс Рис. 5. Временная форма импульса с вырезанным передним фронтом до (а) и после (б) усиления в регенеративном усилителе.
29
1
(а) 1
(в)
0,8 0,75
0,6
0,4 0,5
0,2 0,25
0
0
1 234
1052
1054
1056
1058
11
0,8 (б)
(г)
0,75
0,6
0,4 0,5
0,2 0,25
0
0
1 234
1052
1054
1056
1058
Время, нс
Длина волны, нм
Рис. 6. Временная форма импульса (а, б) и его спектр (в, г) с вырезанными передним и задним фронтами до усиления (а, в) и после усиления (б, г) в регенеративном усилителе.
рядка аппаратной функции (менее 90 пс), и после усиления он сохраняется неизменным (рис. 5б).
В третьей серии экспериментов на выходе стретчера был сформирован импульс длительностью τ0,5 ≈ 430 пс с крутыми (длительностью порядка аппаратной функции) передним и задним фронтами с шириной спектра Δλ0,5 ≈ 1,5 нм (рис. 6). После усиления его форма, передний и задний фронты остались практически без изменений. Спектральный состав импульса также практически не изменился.
Таким образом, была проведена экспериментальная проверка временного и спектрального профилирования наносекундного импульса чисто пассивными устройствами в стретчере путем помещения на разложенном после первого отражения от дифракционной решетки в спектр пучке соответствующей маски. На выходе стретчера получены крутые передний и задний фронты лазерного импульса, а также квазипрямоугольный импульс. Экспериментально показано, что при значительном (6×1017 раз) усилении чирпированного импульса с резким передним фронтом не происходит затягивания фронта, по крайней мере, в пределах аппаратной функции измерительной системы τап ≈ 100 пс, и сохраняется
квазипрямоугольная временная форма импульса при ширине спектра Δλ0,5 ≈ 1,5 нм.
Работа выполнена при частичной поддержке МНТЦ (проект № 3683) и РФФИ (проект № 0902-12157).
ЛИТЕРАТУРА
1. Burkhart S.C., Penko F.A. Temporal Pulse Shaping of Fiber-Optic Laser Beams // ICF quarterly report, Lawrence Livermore National Laboratory, UCRLLR-105821-96-2. Р. 75–81.
2. Малинов В.А., Чернов В.Н. Формирование лазерных импульсов дефлекторными кристаллами // Квант. электрон. 1980. V. 17. С. 586–588.
3. Wallace J. Laser Pulse delivers ignition-sized punch // Laser Focus World. August 2003. Р. 24–28.
4. Shaw M., Williams W., House R., Haynam C. Laser performance operation model // Opt. Engin. 2004. V. 43. P. 2885–2889.
5. Crane J.K., Wilcox R.B., Hopps N.W. Integrated operations of the National Ignition Facility (NIF) optical pulse generation development system // SPIE. 2003. V. 100. P. 3492–3495.
6. Jolly A., Gleyze J.F., Luce J., Coic H., Deschaseaux G. Front-end sources of the LIL-LMJ fusion lasers:
30 “Оптический журнал”, 77, 10, 2010
progress report and prospects // Opt. Engin. 2003. V. 42. P. 1427–1432.
7. Wilcox R.B., Van Wonterghem B.M., Burkhart S.C., Davin J.M. Multiple-Beam Pulse Shaping and Preamplification // Proceedings of the I.A.E.A. technical committee meeting on drivers for inertial confinement fusion. 1994. P. 91–100.
8. Burkhart S.C., Beach R.J., Crane J.H. The National Ignition Facility Front-End Laser System // SPIE Proceedings Series. “First Annual International Conference on Solid State Lasers for Application to Inertial Confinement Fusion”. 1995. V. 48 P. 2633– 2637.
9. The OMEGA Laser Pulse-Shaping System // LLE Annual Report, University of Rochester Laboratory for Laser Energetics. 1995. Р. 56–61.
10. A High-Bandwith Electrical-Waveform Generator Based on Aperture-Coupled Striplines for OMEGA
Pulse-Shaping Applications // Quarterly Report, University of Rochester Laboratory for Laser Energetics. 1997. V. 73. P. 1.
11. Ахманов С.А., Выслоух В.А., Чиркин А.С. Оптика фемтосекундных лазерных импульсов. М.: Наука, 1988. 240 с.
12. Крюков П.Г. Лазеры ультракоротких импульсов // Квант. электрон. 2001. Т. 95. C. 31–36.
13. Stuart B.C., Perry M.D., Miller J. 125-TW Ti:sapphire/Nd:glass laser system // Opt. Lett. 1997. V. 22. P. 242–246.
14. Perry M.D., Pennington D., Stuart B.C. Petawatt laser pulses // Opt. Lett. 1999. V. 160. P. 24–28.
15. Kitagawa Y., Fujita H., Kodama R. Petawatt Laser Construction // Annual Progress Report. Institute of Laser Engineering. Osaka University. 2000. P. 3–4.
“Оптический журнал”, 77, 10, 2010
31