CC BY
54
УДК 535:621.373.826
МОЩНЫЕ ФЕМТОСЕКУНДНЫЕ ГИБРИДНЫЕ ЛАЗЕРНЫЕ СИСТЕМЫ С ШИРОКОАПЕРТУРНЫМИ УСИЛИТЕЛЯМИ НА ОСНОВЕ ГАЗОВЫХ ЛАЗЕРОВ.
2. ГИБРИДНАЯ ФЕМТОСЕКУНДНАЯ XeF(C-A) ЛАЗЕРНАЯ СИСТЕМА
В.Д. Зворыкин, А.А. Ионин, А.В. Конященко, Б.М. Ковальчук*, О.Н. Крохин, В.Ф. Лосев*,
Г.А. Месяц, Л.Д. Михеев, А.Г. Молчанов, Ю.Н. Новоселов, Л.В. Селезнев, Д.В. Синицын,
А.Н. Стародуб, В.Ф. Тарасенко*, С.И. Яковленко**|
Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН, г. Москва *Институт сильноточной электроники СО РАН, г. Томск **Институт общей физики им. А.Н. Прохорова РАН, г. Москва E-mail: aion@sci.lebedev.ru
Обсуждается одна из двух создаваемых в настоящее время в Физическом институте им. П.Н. Лебедева РАН многокаскадных гибридных лазерных систем, генерирующих ультракороткие импульсы излучения с пиковой мощностью ~10'4 ...10'5 Вт. Эта система основана на усилении фемтосекундных импульсов на длине волны ~480 нм (вторая гармоника Tr.Sa-лазера) в среде фотохимического XeF(C-А)-лазера с накачкой ВУФ излучением электронно-пучковой Xe лампы. Конечным каскадом лазерной системы будет являться электронно-пучковая установка с лазерной камерой диаметром 30...40 см и длиной около 2 м. Параметры накачки такой установки близки к параметрам лазера, ранее разработанного в Институте сильноточной электроники СО РАН: энергия электронов -600 кэВ, удельная мощность накачки ~300...500 кВт/см3, длительность импульса электронного пучка ~'00...200 нс. Теоретически показано, что энергия лазерного импульса на выходе конечного усилительного каскада может достигать ~75 Дж при длительности импульса 25 фс. Ti:Sa лазерная система, генерирующая -50 фс импульсы с энергией 4 мДж на длине волны 480 нм разработана и установлена в Физическом институте им. П.Н. Лебедева РАН.
1. Введение
В первой части статьи [1] обсуждались вопросы, связанные с построением в Физическом институте им. П.Н. Лебедева РАН совместно с Институтом сильноточной электроники (ИСЭ) СО РАН гибридной лазерной системы, основанной на усилении фемтосекундных импульсов на длине волны 248 нм (третья гармоника 11:&[-лазера) в активной среде электронно-пучкового К^ лазерного усилителя. В данной части статьи обсуждается гибридная лазерная система, основанная на усилении фемтосекундных импульсов на длине волны ~480 нм (вторая гармоника И:&[-лазера) в среде фотохимического XeF(C-Л)-лазера с накачкой ВУФ излучением электронно-пучковой Хе2 лампы.
2. Гибридная XeF(C-Л) лазерная система
с фотохимической накачкой
Фотохимическое возбуждение активной среды происходит в результате многочисленных механизмов широкополосной оптической накачки плотных газов, причем основным механизмом является фотолиз [6], в результате которого образуются электронно-возбужденнные атомы и радикалы, происходит прямое возбуждение молекул в связанное состояние, протекают вторичные фотохимические реакции возбужденных частиц, возникающих при вышеперечисленных процессах. Активная среда возбуждается УФ-ВУФ излучением ламп (включая эксимерные лампы с накачкой электронным пучком), открытым излучающим разрядом или мощными ударными волнами в благородных газах. Сочетание этой техники накачки со свойствами активной среды позволяет масштабировать фотохимические лазеры до очень высоких энергий [4, 5].
Среди разнообразия различных газовых сред с оптической накачкой, широкополосная среда XeF(C-Л), наиболее изученная в условиях свободной генерации при оптической накачке [3], чрезвычайно привлекательна для усиления фемтосекундных импульсов до ультравысоких значений пиковой мощности [6]. Параметры перехода XeF(C-Л): длина волны излучения 480 нм соответствует второй гармонике Тк^я лазера: спектральная ширина ~60 фс; радиационное время жизни 100 нс; энергия насыщения 50 мДж/см2. Таким образом, эта активная среда, характеризуемая широкой полосой усиления, позволяет усиливать 10 фс импульсы света в зелено-голубой области спектра. Нелинейное преобразование частоты во вторую гармонику наряду с низким уровнем усиленного спонтанного излучения (УСИ) (<1 Вт/см2) могут обеспечить высокое значение контраста ~1010 при усилении ультракоротких импульсов (УКИ) в гибридной ультрамощ-ной лазерной системе задающий генератор (ЗГ) -лазерный усилитель (ЛУ). Относительно высокое значение энергии насыщения, обусловленное большим радиационным временем жизни, дает возможность достичь высоких значений плотности мощности (порядка нескольких ТВт/см2), что, учитывая возможность масштабирования к очень большим объемам, дает возможность создать лазерные системы ЗГ-ЛУ с мультипетаваттной пиковой мощностью. Малые значения нелинейного коэффициента преломления и высокое значение порога пробоя активной среды позволяет непосредственно усиливать УКИ высокой мощности без использования дорогого вакумного компрессора на основе дифракционных решеток.
Стартовый комплекс. Как и в случае К^ лазера
[1], стартовый комплекс, излучающий фемтосе-
Регенеративный
усилитель
Генератор
второй
гармоники
Лазер
накачки
Оптический
стретчер
Рис. 1. Стартовый комплекс на длине волны 480 нм
Рис. 2. Блок-схема фемтосекундного стартового лазерного комплекса на длине волны 480 нм
кундные импульсы, был разработан и изготовлен российской компанией «Авеста-проект» совместно с Физическим институтом им. П.Н. Лебедева РАН (рис. 1). Комплекс состоит из Тк^я лазера, усилителей, преобразователя частоты во вторую гармонику, и генерирует на длине волны 480 нм фемтосекундные импульсы с длительностью ~40 фс с энергией ~4 мДж. Блок-схема стартового комплекса представлена на рис. 2.
XeF(C-A) лазерный усилитель. Для экспериментальной демонстрации преимуществ новой концеп-
ции прямого усиления оптических УКИ в активной среде с фотохимической накачкой в Физическом институте им. П.Н. Лебедева РАН был создан XeF(C-Л) лазерный усилитель с фотохимической накачкой (рис. 3). Апертура усилителя 3x11 см2, электрическая энергия накачки, запасенная в батарее конденсаторов, 2,9 кДж. Источником оптической накачки являются многоканальные поверхностные разряды, инициируемые вдоль стенок прямоугольной диэлектрической камеры длиной 0,5 м, заполненной смесью XeF2, аргона и азота при давлении 1 атм.
Рис. 3. Фотохимический XeF(C-A) предусилитель УКИ, созданный в Физическом институте им. П.Н. Лебедева (а), и фото разрядного промежутка через окно лазерной камеры (многоканальный поверхностный разряд возбужден) (б)
Основным принципом фотохимической накачки активной среды XeF(C-Д) является создание возбужденных молекул XeF(B) в результате фотодиссоциации XeF2 под действием ВУФ излучения (120... 185 нм) многоканального поверхностного разряда. Молекулы XeF(B) в присутствии буферных газов (Лг, N2) релаксируют вследствие столкновений в верхнее лазерное состояние XeF(C). Схема накачки, в которых два таких плоских источника накачивают активную среду, размещенную между ними, обеспечивает пространственное однородное возбуждение этой среды. Численные расчеты [7] показали, что пространственное однородное усиление лазерных пучков с апертурой в несколько сантиметров возможно со степенью неоднородности коэффициента усиления меньше, чем 1 %. Прямоугольная апертура созданного усилителя обеспечивает простой подход к разработке многопроходной оптической схемы для съема энергии из активной длины порядка 50 см. В многопроходной схеме с клинообразной конфигурацией зеркал импульс излучения усиливается в активной среде, расположенной между этими зеркалами, причем возможно до 45 двойных проходов по этой активной среде. Следует отметить, что недавно были проведены предварительные эксперименты по усилению 55 и 150 фс импульсов на длинах волн 475 и 483 нм в XeF(C-Д) усилителе с фотохимической накачкой [8-11]. Достигнуто усиление фемтосекундных импульсов с коэффициентом усиления слабого сигнала 240-3 см-1 на длине волны 480 нм при полном усилении 100.
Конечный XeF(C-A) усилитель. Другим многообещающим подходом для накачки XeF(C-Д) усилителя является использование ВУФ излучения Xe2 лампы на длине волны 172 нм, накачиваемой электронным пучком. Этот метод был использован в работе [2], где была достигнута энергия лазерного излучения 5,8 Дж. Преимуществом этого источни-
ка накачки является ее более высокая эффективность, что позволяет создать более компактный XeF(C-Д) усилитель УКИ с выходной мощностью намного больше 10 ТВт. Принимая во внимание, что баланс энергии в источнике накачки и активной среде был детально исследован [2], представляется возможным проанализировать потенциал этого метода накачки для создания мультипетават-тной лазерной системы. Рассмотрим конструкцию XeF(C-Д) усилителя с накачкой ВУФ излучением Xe2 лампы диаметром 60 см, заполненной Xe при давлении 2...3 атм с накачкой электронным пучком (рис. 4). Фотолитическая ячейка, содержащая смесь XeF2-N2 при давлении 1 атм находится в камере гексагонального сечения, на боковой поверхности которой располагаются окна из CaF2, прозрачные для ВУФ излучения. Эта камера располагается в конверторе, преобразующем энергию шести электронных пучков в энергию ВУФ излучения Xe2 лампы. Давление Xe в конверторе выбирается таким образом, чтобы электроны замедлялись в слое газа между фольгой электронной пушки и окнами из CaF2. Конструкция конечного усилителя близка к конструкции конечного КР лазерного усилителя ДМ [1], отличающаяся от последней тем, что внутри располагается фотолитическая ячейка. Следует подчеркнуть, что конструкция конечного лазерного усилителя позволяет использовать его как для КгД так и для XeF(C-Д) лазера. Предполагается, что максимальная мощность Ж электронных пучков, вкладываемая в Xe в конверторе диаметром 60 см и длиной 200 см, составляет ~250 ГВт. Согласно данным, полученным в [2], полная эффективность возбуждения п состояния XeF(C) составляет ~1 %. Вследствие тушения состояния XeF(C) его реальное время жизни ~70 нс. Таким образом можно оценить полную энергию, снимаемую коротким оптическим импульсом, как Жцг=175 Дж. При длительности усиленного им-
пульса 25 фс эта энергия соответствует пиковой мощности ~7 ПВт. Принимая во внимание, что активный объем составляет 250 л, а сечение вынужденного излучения 10-17 см2, можно оценить коэффициент усиления слабого сигнала ~1,7* 10-2 см1.
Рис. 4. Сечение конечного XeF(C-A) лазерного усилителя с электронно-пучковым конвертором
Вакуум Хе
ХеР2+^
Хе-камера Генератор Маркса
Вакуумная камера
Катод
Фольга
Лазерная кювета Окно (СаР2)
Рис. 5. Схема XeF(С-А) лазерного усилителя
В качестве промежуточного шага в Институте сильноточной электроники СО РАН в настоящее время разрабатывается другая версия ХеБ(С-А) лазерного усилителя (рис. 5). Он состоит из камеры-конвертора, заполненной ксеноном, лазерной ячейки, вакуумного диода и генератора Маркса. Генератор Маркса располагается в кожухе, заполненном сухой смесью воздух^Б6 и связан с вакуумным диодом при помощи вакуумной изоляции высоковольтных частей. Такая конструкция позволяет минимизировать индуктивность цепи питания и вес ускорителя. Вакуумный диод создает четыре электронных пучка с поперечными размерами 120x15 см2, которые инжектируются в Хе-конвер-тор. Для того, чтобы гарантировать замедление электронов в конверторе при давлении Хе 3 атм, расстояние между титановой фольгой вакуумного диода и окнами из СаБ2 было выбрано равным 7,5 см. Апертура лазерной кюветы 12x12 см2, ее длина 128 см. Кювета заполняется смесью ХеБ2/К2 при давлении 1...2 атм. Параметры электронного пучка в вакуумном диоде: полный ток 80 кА, пиковое напряжение 420 кВ, длительность импульса на полувысоте ~400 нс. Полная пиковая мощность
электронов, входящих через фольгу в камеру с ксеноном составляет 16 ГВт для импульса с длительностью на полувысоте 210 нс.
Расчеты коэффициента усиления и вложенной энергии. Для упрощения численных расчетов лазерная кювета с квадратным сечением была заменена кюветой с круговым сечением такого же периметра. Согласно данным работы [2], эффективность флуоресценции ксенона, возбужденного электронным пучком, была принята равной 30 %, а эффективность преобразования ВУФ излучения, которое является произведением пропускания окон из СаБ2 и фактора расходимости, была оценена в ^=15 %. В этом случае плотность потока фотонов на внутренней поверхности окон из СаБ2 составляет ^=^е’^(^™рХе/3)/Й®=1,0-1023 см-2с-1, где 5 -площадь боковой поверхности лазерной кюветы. Среднее сечение фотопоглощения ХеБ2 на длине волны 172 нм с учетом распределения интенсивности излучения ксенона составляет о(ХеР2)=1,6.1017 см2
[2]. Расчеты пространственного распределения плотности фотонного потока Дг) и концентрации ХеБ(С) основаны на решении нестационарных уравнений переноса излучения в цилиндрической геометрии совместно с упрощенной кинетической моделью для состояния ХеБ(С). Результаты расчета, полученные для коэффициента усиления слабого сигнала и для энергии, запасенной на переходе С-А, соответствующей объему накачки, приведены на рис. 6 и 7. Момент времени /=170 нс соответствует максимуму коэффициента усиления слабого сигнала. Довольно од-
0.025
0.02
^ 0.015 § о
^ 0.01 0.005 0
([ХеР2]=3,2х1016 см-3)^
С ^ ^ \ [[ХеР2]=2х1016 см-3]
([ХеБ2]= 1 1 =1х1016 см- з3 \/ ✓
**
4
г, см
8
Рис 6. Распределение коэффициента усиления по радиусу при различных концентрациях XeF2 на момент времени 1=170 нс
0 2х1016 4х1016 6х1016 8х1016 1х1017
[XeF2], см-3
Рис. 7. Энергия, вложенная в активный объем в момент времени 1=170 нс
нородное распределение коэффициента усиления в активной среде может быть получено при [ХеР2]=Н016 см-3 и /=170 нс, причем коэффициент усиления g составляет 0,005 см-1, а энергия запасенная в активной среде Е51=6 Дж. Согласно численным расчетам этого ХеБ(С-А) лазерного усилителя, пиковая мощность составляет 100 ТВт для лазерного импульса с длительностью 30 фс.
3. Заключение
Многокаскадные гибридные лазерные системы, генерирующие импульсы излучения с пиковой мощностью ~1014...1015 Вт создается в настоящее время в Физическом институте им. П.Н. Лебедева РАН совместно с Институтом сильноточной электроники СО РАН. Отличительной особенностью проектируемых гибридных систем является прямое усиление фемтосекундных импульсов, генерируемых твердотельной лазерной системой, и прошедших через призменный стретчер с отрицательной дисперсией, в газообразных активных средах без использования в выходном пучке дорогостоящих устройств сжатия импульсов. Создаются две ги-
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Зворыкин В.Д., Ионин А.А., Конященко А.В. и др. Мощные фемтосекундные гибридные лазерные системы с широкоапертурными усилителями на основе газовых лазеров 1. Гибридная фемтосекундная KrF лазерная система // Известия Томского политехнического университета. - 2008. - Т. 312. - № 2. -С. 115-120.
2. Ekstrom D.J., Walker H.C., Jr. Multijoule performance of the pho-tolytically pumped XeF(C>A) laser // IEEE J. Quantum Electronics. - 1982. - V. QE-18. - № 2. - P. 176-181.
3. Tittel F.K., Smayling M., Wilson W.L., Marowsky G. Blue laser action by the rare-gas halide trimer Kr2F // Appl. Phys. Lett. - 1980.
- V. 37. - P. 862-864.
4. Zarubin P.V. Academician Basov, high-power lasers and the antimissile defense problem // Quantum Electronics. - 2002. - V. 32. -№ 12. - P. 1048-1064.
5. Zuev V.S., Kashnikov G.N., Mamaev S.B. XeF laser with optical pumping by surface discharges // Sov. J. Quantum Electronics. -1992. - V. 22. - № 11. - P. 973-979.
6. Mikheev L.D. Possibility of amplification of a femtosecond pulse up to the energy 1kJ // Laser & Particle Beams. - 1992. - V. 10. -P. 473-478.
бридные лазерные системы, основанные на усилении УКИ на длине волны 248 нм (третья гармоника TiSa-лазера) в активной среде электронно-пучкового KrF лазера [1], и на усилении на длине волны ~480 нм (вторая гармоника TiSa-лазера) в среде фотохимического XeF(C-A)-лазера с накачкой ВУФ излучением электронно-пучковой Xe2 лампы. Конечным каскадом XeF(C-A) лазерной системы будет являться электронно-пучковая установка с лазерной камерой диаметром 30...40 см и длиной около 2 м. Теоретически показано, что энергия лазерного импульса на выходе конечного усилительного каскада может достигать ~75 Дж при длительности импульса 25 фс. Ti:Sa лазерная система, генерирующая ~50 фс импульсы с энергией 4 мДж на длине волны 480 нм разработана и установлена в Физическом институте им. П.Н. Лебедева РАН.
Исследования, выполненные в настоящей работе проведены в рамках научных программ Президиума РАН «Фундаментальные проблемы импульсной и стационарной электроники высокой мощности» и «Фемтосекундная оптика и новые оптические материалы» и при поддержке Роснауки.
Работа доложена на VIII Международной конференции «Atomic and Molecular Pulsed lasers», Tomsk, 10-14 September, 2007.
7. Malinovskii G.Ya., Mamaev S.B., Mikheev L.D. et al. Numerical simulation of the active medium and investigation of the pump source for the development of a photochemical XeF(C-i) amplifier of femtosecond optical pulses // Quantum Electronics. - 2001. - V. 31. -№ 7. - P. 617-622.
8. Tcheremiskine V.I., Sentis M.L., Mikheev L.D. Amplification oful-trashort laser pulses in the photolytically driven XeF(C-A) active medium // Appl. Phys. Lett. - 2002. - V. 81. - P. 403-405.
9. Mikheev L., Levtchenko K., Mamaev S. et al. Direct amplification of frequency-doubled femtosecond pulses from Ti:Sa laser in photochemically driven XeF(C-A) active media // Proc. SPIE. - 2004.
- V. 5448. - P. 384-392.
10. Clady R., Coustillier G., Gastaud M. et al. Architecture of a blue high contrast multiterawatt ultrashort laser // Appl. Phys. B. - 2006.
- V. 82. - P. 347-358.
11. Tcheremiskine V., Uteza O., Mislavskii V. et al. Amplification of femtosecond optical pulses in a photolytically driven XeF(C-i) laser amplifier // Proc. SPIE. - 2006. - V. 6346. - P. 634613-1-634613-8.
Поступила 23.11.2007г.
