Управление временными характеристиками мощных фемтосекундных импульсов с помощью процесса генерации второй гармоники тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.21, кандидат физико-математических наук Миронов, Сергей Юрьевич

• Миронов, Сергей Юрьевич
• кандидат физико-математических наук
• 2011

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Миронов, Сергей Юрьевич

Введение.

Глава 1 Исследование нестационарной генерации второй гармоники сверхмощного фемтосекундного излучения с учетом дисперсии и кубичной нелинейности.

1.1 Дисперсионные эффекты в процессе генерации второй гармоники.

1.1.1 Групповое разбегание и расплывание импульсов.

1.1.2 Изменение длины группового разбегания импульсов в кристалле ЭКЮР.

1.2 Влияние нелинейного набега фазы у волн первой и второй гармоники на эффективность преобразования в квазистатическом режиме генерации.

1.2.1 Модель плоских монохроматических волн.

1.2.2 Экспериментальное исследование эффективности преобразования во ВГ от направления распространения в нелинейном элементе.

1.2.3 Временная модель генерации второй гармоники. Квазистатический режим ГВГ

1.2.4 Экспериментальные результаты.

1.3 Совместное влияние кубичной нелинейности и дисперсионных эффектов.

1.3.1 Сравнительный анализ генерации второй гармоники сверхмощного лазерного излучения с центральными длинами волн 800 пм и 910 нм в кристалле КЭР.

1.3.2 Сокращение длительности и повышение временного контраста.

Выводы.

Глава 2 Мелкомасштабная самофокусировка в процессе генерации второй гармоники сверхсильным лазерным полем.

2.1 Линейная модель развития неустойчивости гармонических возмущений плоских монохроматических волн.

2.1.1 Постановка задачи. Основные уравнения и граничные условия.

2.1.2 Коэффициенты усиления гармонических возмущений.

2.1.3 Оценки критического уровня шума в волне первой гармоники.

2.2 Самофильтрация лазерного излучения.

2.2.1 Зависимость интегрального коэффициента усиления гармонических возмущений от угла видения нелинейного элемента.

2.2.2 Усиление мощности шума.

2.2.3 Экспериментальное исследование эффекта самофильтрации интенсивных лазерных импульсов.

2.3 Нелинейный элемент удвой геля частоты как источник пространственных возмущений.

2.3.1 Поверхностные источники шума. Коэффициенты усиления пространственных возмущений.

2.3.2 Статистические характеристики шероховатости поверхности. Усиление мощности шума.

2.3.3 Экспериментальное исследование развития мелкомасштабной самофокусировки от поверхностных источников шума.

2.3.4 Рассеяние света на неоднородной структуре показателя преломления в процессе ГВГ сверхсильного лазерного поля. Линеаризованные уравнения и граничные условия.

2.3.5 Моделирование неустойчивости плоских монохроматических волн в неоднородной анизотропной среде при учете квадратичной и кубичной нелинейности

Выводы.

Глава 3 Измерение временного профиля интенсивности.

3.1 Коррелятор третьего порядка для измерений временного профиля интенсивности.

3.1.1 Принцип работы одноимпульсного коррелятора третьего порядка.

3.1.2 Измерение АКФ интенсивности третьего порядка.

3.1.3 Связь корреляционной функции и контраста.

3.1.4 Экспериментальные результаты и выводы.

3.2 Измеритель контраста на основе параметрического усиления.

3.2.1 Экспериментальная установка и принцип работы.

3.2.2 Наклон фронта интенсивности в призме.

3.2.3 Особенности реализации процесса параметрического усиления.

3.2.4 Сравнительный анализ нелинейных элементов из кристаллов KDP и ВВО для параметрического усилителя фемтосекундного излучения.

3.2.5 Экспериментальные результаты.

Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Управление временными характеристиками мощных фемтосекундных импульсов с помощью процесса генерации второй гармоники»

Применение технологии усиления чирпированных импульсов (Chirped Pulse Amplification CPA) при создании сверхмощных лазерных комплексов позволило получать оптическое излучение петаваттного уровня мощноеш [1-4]. Впервые петаваттный рубеж был преодолен в 1996 г. на лазерной системе [5], использующей технологию CPA 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 (Extreem Light Infrastructure), целью которого является достижение пиковой мощности в диапазоне от 50 до 1000 ПВт 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 [6] в кристалле сапфира (корунд с титаном) [1] или параметрическом усилении (Optical Parametric Chirped Pulse Amplificaation ОРСРА) в условиях сверхширокополосного синхронизма в нелинейном кристалле DKDP [7-9], а также совместной реализации этих подходов. В настоящее время достигнут определенный прогресс в развитии указанных направлений, так в лазерах, использующих Тксапфир в качестве активной среды, 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, чго соответствует пиковой мощности 0.56 ПВт [7, 9]. Лазерные комплексы, в основе работы которых лежит принцип параметрического усиления чирпированных импульсов обладают рядом преимуществ по отношению к CPA системам. Основные из них это: коэффициент усиления за один проход до 104 против 10, направленное усиление лазерного излучения, отсутствие тепловых нагрузок в нелинейных элементах, низкий уровень спонтанной усиленной люмснисценции, 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 1010Вт/см2. На сегодняшний момент мировой рекорд измеренной пиковой интенсивности лазерного

22 о импульса составляет 10 Вт/см [15]. Следовательно, даже для регистрации профиля интенсивности таких импульсов, на уровне близком к критическому значению,

1 9 динамический диапазон прибора должен превышать 10 . 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 предимпульсы от постимпульсов, а также обладают сравнительно небольшим динамическим диапазоном измерений, не превышающим 108 [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 фемтосекундыых лазерных импульсов, являются уникальными высокотехнологичными изделиями и проектируются индивидуально для параметров I 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 первой гармоники. Поскольку наибольшая эффективность преобразования во вторую гармонику достигается в квазистатическом 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 частности, в процессе роста кристаллов Ш<Х)Р существует возможность изменения степени дейтерирования, которая в свою очередь значительно влияет на дисперсионные свойства нелинейного элемента. Отметим, что до начала выполнения настоящей работы влияние степени дейтерирования в кристалле БКБР на длину группового разбегания импульсов не был изучен.

Процесс генерации второй гармоники интенсивными фсмтосекундными 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. На важность этого факта указали Ахмаиов и Хохлов в 1972 году [21], однако, точные решения системы связанных уравнений, учитывающих само- и кросс-воздействие волн первой и второй гармоник, были получены лишь в 1984 году в работе [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 представлены результат численного моделирования для импульсов с длителънос1ЬЮ несколько десятков фемтосекунд и интенсивностью

О 5—4.5 ТВт/см [24, 26].

В кристалле КЛЭР существенным оказывается совмеспюе влияние дисперсионных эффектов и эффектов, обусловленных кубичной поляризацией среды, которые не были детально исследованы ни для 800 нм, пи для 910 нм. Указанный кристалл являеюя наиболее оптимальным для преобразования интенсивного излучения во ВГ, поскольку нелинейный элемент из КЛЭР может быть изготовлен апер гурой более 10 см при толщине менее 1 мм.

Кубическая поляризация в процессе ГВГ интенсивного лазерного поля приводит к расширению и 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 счег офажеиия от поверхности чирпирующих зеркал с целью сокращения длительности Возможность дополнительной компрессии ишенсивною излучения ВГ указанным методом не была изучена до начала выполнения настоящей работы, однако принцип был успешно проверен в экспериментах по 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 01 В-интеграла, пространственной частоты и начальной фазы 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 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 контраста, а также по котролируемому 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 К1ЭР для высокоэффективной ГВГ лазерного поля с центральными длинами волн 800 нм (лазеры на ТкСапфире) и 910 нм (лазеры на параметрическом усилении в кристалле ОКЛЗР), в диапазоне длительностей 20+70 фс и интенсивностсй 0.3^5 ТВт/см2.

2. В экспериментах получена высокоэффективная (около 70%) ГВГ лазерного поля при

9 ") средней интенсивности порядка 1 ТВт/см (при пиковой до 3+4 ТВт/см") и центральной длины волны 910 нм.

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 самофильтрации интенсивного лазерного 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 лазерного излучения со средней интенсивностью около 1 ТВт/см2 и выше.

5. Измерен временной контраст излучения стартовой части фемтосекундного петаваттного лазерного комплекса с использованием коррелятора третьего порядка интенсивности с динамическим диапазоном 108.

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения. Объем работы составил 121 страницу, 65 рисунков, 65 ссылок.

Заключение диссертации по теме «Лазерная физика», Миронов, Сергей Юрьевич

Выводы

Создана аналитическая модель генерации суммарной частоты в кросс-корреляторе, которая позволила наглядно продемонстрировать связь между временным профилем интенсивности тестируемого излучения и пространственным распределением сигнала суммарной частоты.

В экспериментах по измерению временного профиля интенсивности стартовой части лазерного комплекса кросс-коррелятор позволил измерить контраст с динамическим диапазоном 108. Уровень ближнего контраста (при временной задержке Дт =1 пс)

4 8 составляет 10, а дальнего (при Дт =500 пс) не хуже 10 относительно главного максимума. Временной профиль не обладает явно выраженным фоном. Следовательно, шум усиленной люминесценции параметрических усилителей не превышает уровня 10"8.

В процессе проектирования измерителя контраста на основе параметрического усиления рассмотрены вопросы, связанные с оптимальной реализацией процесса параметрического усиления. Произведен сравнительный анализ поведения полос усиления в кристаллах КЛЭР и ВВО в приближении неистощимой монохроматической накачки. Установлено, что использование нелинейного элемента из ВВО в условиях ое-е синхронизма позволит увеличить спектральную полосу коэффициент усиления до 134 нм и уменьшить влияние рассеяния сигнала в направление холостой волны за счет увеличения угла ср^

Разработан экспериментальный образец измерителя контраста на основе параметрического усиления. В качестве нелинейного элемента использовался кристалл КОР толщиной 7 мм. Коэффициент преобразования по энергии, полученный в эксперименте, составил -30%.

Для подтверждения работоспособности макета, отработки схемы настройки и калибровки были произведены эксперименты по параметрическому усилению в кристалле КОР толщиной 20 мм. В экспериментах по измерению временного профиля интенсивности частотной части петаваттного лазерного комплекса макет позволил измерить контраст до уровня 104 при сканировании вблизи главного максимума. Небольшой динамический диапазон обусловлен слабым коэффициентом усиления, а также отсутствием пространственного согласования амплитудных фронтов сигнала и накачки.

Проведенные теоретические и экспериментальные исследования позволили сделать выводы о работе измерителя контраста на основе параметрического усиления и определили требования для его оптимизации- применение более чувствительного фотодетсктора энергии холостой волны, установку сужающих телескопов в тракты сигнала и накачки, замену нелинейного элемента параметрического усилителя из КОР на кристалл ВВО. Реализация данных условий позволит достичь потенциала измерений до

1О10-НОп

Заключение

В настоящей работе исследована возможность контролируемого управления временными параметрами фемтосекундных лазерных импульсов петаваттного уровня мощности с помощью процесса генерации второй гармоники в нелинейно-оптическом кристалле. Осуществлена высокоэффективная ГВГ излучения с пиковой интенсивностью превышающей 3 ТВт/см2. Рассмотрены особенности реализации измерителей временного профиля интенсивности и выполнены измерения контраста. Основные результаты диссертации:

1. Аналитически показано, что при генерации второй гармоники интенсивной монохроматической волны влияние кубической поляризации среды может быть скомпенсировано полностью за счет отклонения распространения излучения от угла точного фазового синхронизма в сторону ближе к оптической оси. Величина этой угловой отстройки линейно зависит от интенсивности излучения первой гармоники и не зависит от толщины нелинейного элемента и его квадратичной поляризуемости. Экспериментально продемонстрировано, что для различного уровня интенсивности импульсов первой гармоники оптимальное преобразование происходит при разных положениях кристалла.

2. Получена высокоэффективная (70%) генерация второй гармоники в кристалле КОР толщиной 1мм при значении В-интеграла 4.2 и пиковой интенсивности 1.8 ТВт/см2, т.е. продемонстрирована возможность преобразования во вторую гармонику выходного излучения петаваттных лазеров.

3. Показано существенное преимущество петаваттных лазеров на основе параметрического усиления в кристалле ОКОР (центральная длина волны А.=910нм) по отношению к лазерам на Тк сапфире (А,=800 нм) с точки зрения высокоэффективного преобразования излучения во вторую гармонику в кристалле КОР. Это преимущество обусловлено дисперсионными свойствами кристалла КОР.

4. Предложен способ укорочения петаваттных фемтосекундных импульсов за счет преобразования во вторую гармонику и последующей линейной фазовой модуляции с помощью дисперсионных многослойных диэлектрических зеркал. Теоретически показано, что излучение длительностью 20 фс с центральной длиной волны 910 нм (800 нм) и интенсивностью 5 ТВт/см2 после преобразования во вторую гармонику в кристалле КОР толщиной 0.4 мм (0.25 мм) может быть с компрессировано до длительности 8 фс (12 фс).

5. Для лазерного излучения с интенсивностью порядка ТВт/см2 и более предложен, теоретически обоснован и экспериментально проверен (при В-интеграле равном 10) способ подавления мелкомасштабной самофокусировки за счет самофильтрации пространственных шумов при распространении пучка в свободном пространстве.

6. Разработана линеаризованная модель мелкомасштабной самофокусировки с учетом пространственных шумов, возникающих в пучке из-за шероховатости поверхности и неоднородностей показателя преломления нелинейного элемента. На основе модели показано и экспериментально проверено, что при стандартном оптическом качестве нелинейного элемента влияние этих шумов на мелкомасштабную самофокусировку вплоть до значений В-интеграла 10 не существенно.

7. С помощью одноимпульсного кросс-коррелятора измерен временной контраст стартовой (тераваттной) части фемтосекундного лазерного комплекса "PEARL"' с о динамическим диапазоном 10 . Уровень ближнего контраста (при временной задержке

4 8

1 пс) составляет 10 , а дальнего (при задержке > 20 пс) не хуже 10 относительно главного максимума, т.е. шум усиленной спонтанной люминесценции параметрических усилителей стартовой части не превышает уровня 1Ü"8.

В заключении автор выражает особую благодарность Е.А. Хазанову за постановку задачи, научное руководство и постоянное внимание к работе; В.В. Ложкареву за неоценимую помощь в проведении экспериментальных исследований; А.К. Потемкину и С.Н. Власову за плодотворные обсуждения теоретических и экспериментальных результатов.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Миронов, Сергей Юрьевич, 2011 год

1. Аоуаша М., Yamakawa К., Akahane Y., Ma J., 1.oue N., Ueda H., Kiriyama H. 0.85-PW, 33-fs Ti:sapphire laser // Optics Letters, v.28, №17, p. 1594-1596, 2003.

2. Bank S. W., Rousseau P., Planchon T. A., Chvykov V., Kalintchenko G., Maksimchuk A., G.A. M., Yanovsky a.V. Generation and characterization of the highest laser intensities (1022 W/crn2) // Optics Letters, v.29, p.2837-2839, 2004.

3. Strickland D., Mourou G. Compression of amplified chirped optical pulses // Optics Communications, v.56, p.219, 1985.

4. Хазанов E.A., Сергеев A.M. Петаваттные лазеры на основе оптических параметрических усилителей: состояние и перспективы // Успехи Физических Наук, v.178, №9, р. 1006-1011, 2008.

5. Tajima Т., Dawson J.M. Laser electron accelerator // Physical Review Letters, v.43, p.267-270, 1979.

6. Faure J., al. e. A laser-plasma accelerator producing monoenergetic electron beams. // Nature, v.431, p.541-544 2004.

7. Mangles S.P.D.e.a. Monoenergetic beams of relativistic electrons from intense laserplasma interactions //Nature, v.431, p.535-538 2004.

8. Geddes C., al. G.R.e. High-quality electron beams from a laser wakefield accelerator using plasma-channel guiding // Nature, v.431, p.538-541, 2004.15.