Лазерный мир

Палашов Олег Валентинович // Федеральное государственное бюджетное научное учреждение «Федеральный исследовательский центр Институт прикладной физики Российской академии наук», Нижегородская обл, карточка проекта, поддержанного Российским научным фондом номер 18-12-00416

Аннотация
Проект посвящен исследованию актуальной научной проблемы создания лазеров для источников ускоренных заряженных частиц и вторичного излучения различных спектральных диапазонов с высокой средней яркостью. Используемые сегодня лазеры на кристаллах титан-сапфира и на основе оптических параметрических усилителей (OPCPA) способны обеспечить требуемую интенсивность, но ограничены по средней мощности на уровне нескольких десятков ватт. Ограничение связано с тепловыми эффектами в усиливающей среде и с отсутствием накачки с требуемой энергией импульсов и высокой средней мощностью. Кроме того, эффективность таких лазеров, как правило, не превышает долей процента.

Импульсные лазеры с одновременно высокой пиковой и средней по времени мощностью могут быть построены на базе твердотельных лазеров с диодной накачкой на основе активных сред, легированных иттербием. Однако одновременное увеличение и средней мощности, и энергии импульсов является серьезной научной проблемой. Для достижения высокой средней мощности необходимо обеспечить эффективный отвод тепла от лазерной среды, что накладывает ограничения на геометрию активного элемента, который должен иметь малый размер по координате, вдоль которой осуществляется охлаждение (например, тонкий стержень, тонкий слэб, тонкий диск). При этом одним из важнейших факторов, ограничивающих энергию импульсов на выходе высокомощных иттербиевых лазеров, становится эффект оптического пробоя активных элементов, апертура которых ограничивается необходимостью эффективного охлаждения среды, а также эффектом усиленного спонтанного излучения.

Задачей проекта является создание иттербиевого лазера с высокой средней мощностью, работающего в режиме генерации высокоэнергичных «ультраплотных» стеков сверхкоротких импульсов. В данном режиме лазерное излучение представляет собой последовательность/стек сверхкоротких импульсов, которые разделены между собой временными промежутками сверхкороткой длительности. При взаимодействии с веществом такая последовательность импульсов способна «рождать» в среде резонансные процессы на частоте, соответствующей частоте следования импульсов внутри самой последовательности. В этом случае энергия излучения может передаваться среде так же эффективно, как в одноимпульсном режиме. Данный режим особенно актуален в области лазерно-плазменного взаимодействия, где синхронизация временных интервалов между импульсами с периодом плазменных колебаний приводит к резонансному возбуждению плазменной волны, а также в области генерации терагерцового излучения, где поле, рождаемое последовательностью импульсов, будет складываться когерентно, если временные промежутки между импульсами равны периоду колебаний терагерцового излучения. Задача создания лазера с высокой средней мощностью, работающего в режиме генерации «ультраплотных» стеков сверхкоротких импульсов с большой энергией в стеке является новой и на сегодняшний день подобных систем в мире не существует.

В проекте предлагается концепция перехода от одноимпульсного режима к режиму «ультраплотного» стека, которая позволит решить проблему оптического пробоя в активных элементах лазера и за счет этого достичь существенно больших выходных энергий. На первом этапе работы будет осуществляться разработка лазерных усилителей на основе иттербиевых сред. Будет решен целый ряд задач по исследованию перспективы применения новых геометрий активных элементов в высокомощном лазере (тонкие конические стержни, тонкие клиновидные слэбы и композитные дисковые элементы) и использованию различных активных сред в них (Yb:YAG, Yb:KYW, Yb:KGW, Yb:CaF2, Yb:Y2O3 керамика и т.п.). В некоторых геометриях многие среды будут испытаны впервые. В результате выполнения этапа будет построена гибридная многокаскадная усилительная система, где на каждом каскаде будет использована своя оптимальная для данной мощности геометрия активного элемента и оптимальная активная среда. На втором этапе работы будет осуществлена разработка оптической схемы и реализация лазера, работающего в режиме генерации «ультраплотного» стека сверхкоротких импульсов.

Будет исследован предложенный подход, основанный на формировании «ультраплотного» стека из традиционного стека с большими временными интервалами между импульсами за счет сближения импульсов. Принцип сближения имеет общие черты с широко известным принципом усиления разделенного импульса, где импульс разделяется на реплики, усиливается и затем когерентно складывается в один. Ключевым отличием является то, что импульсы не складываются в один, а лишь сближаются на регулируемые сверхкороткие расстояния. При этом существенно смягчаются требования к оптической схеме, так как не требуется точное равенство амплитуд импульсов, а подстройка длины линии задержки осуществляется не с точностью до фазы излучения, а только с точностью до огибающей (что на несколько порядков больше). Данное обстоятельство позволит увеличить количество реплик до нескольких десятков, или даже сотен, не заботясь об эффективности и стабильности обратного сложения, что поможет решить проблему оптического пробоя активных элементов усилителей. Будет предложено и экспериментально апробировано несколько различных методов сближения, основанных на двух различных принципах: на основе пространственного разделения импульсов и на основе конверсии длины волны импульсов при их накоплении во внешнем резонаторе.

Главным результатом проекта будет создание уникальной, не имеющей мировых аналогов лазерной системы, работающей в режиме генерации «ультраплотного» стека сверхкоротких импульсов и сочетающей большую энергию в стеке с высокой средней мощностью. Реализация проекта позволит поднять отечественные технологии лазеростроения на новый качественный уровень и в перспективе создавать источники ускоренных заряженных частиц и вторичного излучения, составив конкуренцию традиционным радиочастотным приборам.

Ожидаемые результаты
В ходе проекта будет получен ряд значимых результатов, соответствующих мировому уровню исследований:
1. Будет проведено экспериментальное исследование спектральных, лазерных и тепловых характеристик ряда лазерных сред, легированных иттербием (Yb:YAG, Yb:KYW, Yb:KGW, Yb:CaF2, Yb:Y2O3 керамика), которые позволят проводить теоретическое моделирование тепловых и лазерных процессов в активных элементах различных геометрий, включая такие новые геометрии, как тонкий конический стержень, тонкий клиновидный слэб и композитный диск. Ожидается, что применение новых геометрий в сочетании с особенностями представленных сред позволит увеличить эффективность, среднюю мощность и энергию импульсов на выходе усилителей.
2. В результате проведенных исследований будет разработан и изготовлен ряд лазерных усилителей на основе активных элементов различных геометрий из различных активных сред (Yb:YAG, Yb:KYW, Yb:KGW, Yb:Y2O3 керамика), рассчитанных на разные уровни мощности диодной накачки от 50 Вт до >2 кВт. Данные усилители смогут найти широкий спектр применений при создании лазеров различных уровней мощности, работающих как в непрерывном режиме, так и в импульсных режимах с различными длительностями импульсов и частотой их следования.
3. Будет смоделирована и реализована многокаскадная усилительная система, представляющая собой последовательность усилителей с различными геометриями активных элементов из различных активных сред (Yb:YAG, Yb:KYW, Yb:KGW, Yb:Y2O3 керамика), где на каждом каскаде геометрия будет оптимизирована под определенный уровень выходной мощности. Такая система позволит эффективно усиливать как непрерывное, так и импульсное лазерное излучение с различными длительностями импульсов и частотой их следования до высоких значений средней мощности и энергии импульсов.
4. Будет предложен, исследован и реализован ряд оптических схем формирования «ультраплотных» стеков сверхкоротких импульсов за счет сближения импульсов в традиционном стеке с большими интервалами между импульсами, основанных на пространственном разделении импульсов или на конверсии длины волны импульсов при их накоплении во внешнем резонаторе.

Применение данных схем в лазере позволит усиливать в активных элементах традиционные стеки импульсов, что позволит избежать оптического пробоя активных элементов, а на выходе системы получить высокоэнергичные «ультраплотные» стеки, востребованные во многих приложениях. 5. Будут разработаны уникальные изоляторы Фарадея на неполяризованное излучение, рассчитанные на различные уровни энергии импульсов и средней мощности (~25 мДж и ~50 Вт, ~100 мДж и ~200 Вт, ~200 мДж и ~500 Вт, ~0.5 Дж и ~1 кВт) с применением оригинальной оптической схемы. Они смогут применяться для разделения каскадов в многокаскадных усилительных системах, чтобы избежать эффекта паразитной генерации, а также для защиты высокомощных лазеров с неполяризованным излучением от отраженных сигналов. 6. Будет разработан источник диодной накачки на основе двух диодных стеков и гомогенизаторе излучения на длинном тонком кварцевом стержне со средней мощностью >2 кВт и однородным выходным пучком круглой формы.

Такой лазер может применяться как для накачки твердотельных лазеров, так и в промышленности для полимерной сварки и закалки металлов, где не требуется высокая яркость излучения. Схема прямого использования излучения лазерных диодов позволяет существенно снизить стоимость лазера и повысить его КПД, по сравнению с твердотельными лазерами с диодной накачкой, что является его конкурентным преимуществом. 7. В результате всех проведенных исследований будет разработана и реализована лазерная система, работающая в режиме генерации «ультраплотного» стека сверхкоротких импульсов с высокой энергией в стеке (~0.3 Дж) и высокой средней мощностью (~0.6 кВт), состоящая из задающей лазерной системы, стретчера, системы формирования стека импульсов с большими временными интервалами между импульсами, многокаскадной усилительной системы, компрессора и системы сближения импульсов внутри стека на сверхкороткие временные интервалы.

Лазерная система станет уникальным инструментом для проведения исследований в области лазерно-плазменного взаимодействия, генерации терагерцового и рентгеновского излучения. В перспективе на ее основе могут быть созданы источники ускоренных заряженных частиц и вторичного излучения высокой яркости, которые составят конкуренцию традиционным радиочастотным приборам. Таким образом, ожидаемые результаты проекта в перспективе откроют возможность создания высокомощных лазеров для источников ускоренных заряженных частиц и вторичного излучения различных спектральных диапазонов с высокой средней яркостью. Источники на основе лазерного излучения будут значительно дешевле и компактней, чем традиционные радиочастотные приборы. Большинство из перечисленных результатов (усилители, оптические изоляторы, лазерные системы) смогут найти широкий спектр приложений не только в науке, но и в промышленности и других областях.

Полное содержание на https://rscf.ru/project/18-12-00416/