Развитие техники генерации и усиления фемтосекундных оптических импульсов привело к созданию в 1998 г. в США первой петаваттной лазерной системы. Она является уникальным инструментом для исследования свойств вещества, находящегося в полях с гигантской интенсивностью излучения 10 ²¹-10 ²² Вт/см². Программы создания петаваттных лазеров осуществляются в настоящее время также во Франции, Великобритании и Японии. Достижение петаваттного уровня мощности основано на применении принципа усиления растянутых во времени частотно-модулированных лазерных импульсов в традиционных широкоапертурных усилителях и их последующем сжатии до длительностей в несколько сот фемтосекунд на системе дифракционных решеток. Дальнейшее продвижение в направлении увеличения мощности на этом пути ограничено сравнительно узкой полосой усиления света в неодимовом стекле. В связи с этим активно обсуждаются и исследуются альтернативные возможности преодоления петаваттного барьера с использованием более широкополосных усилительных систем.

Одна из наиболее интересных, с физической точки зрения, схем основана на использовании параметрических усилителей света вместо обычных лазерных. За счет подбора нелинейного кристалла, направлений распространения и частот накачки и сигнальной волны реализуются условия широкополосного синхронизма при параметрическом усилении, и наряду с этим используется традиционный для генерации сверхсильных полей принцип последовательного растяжения, многокаскадного усиления и рекомпрессии усиленных импульсов. Преимуществами схемы параметрического усиления по сравнению с традиционной являются:

• широкая полоса усиления (до 1000 см^-1 и более) при выполнении необходимых условий синхронизма для имеющихся в настоящее время широкоапертурных нелинейных кристаллов (например, DKDP), что позволяет получать усиленные импульсы с длительностью до 10-30 фс;
• значительное уменьшение тепловой нагрузки на усиливающий элемент с возможностью работать в частотном режиме;
• существенно уменьшенный уровень усиленного спонтанного излучения и результирующий высокий контраст петаваттных импульсов на мишени.

Проект выполняется в сотрудничестве ВНИИЭФ (г.Саров) и ИПФ РАН и включает 3 этапа работ.

На первом этапе (завершен в 2003 году) в ИПФ РАН создан параметрический усилительный комплекс тераваттного уровня мощности, позволяющий получать импульсы с длительностью около 70 фс, энергией более 30 мДж и частотой повторения 2Гц. Аналогичный комплекс был поставлен в ВНИИЭФ в первой половине 2004 г.

Основным преимуществом схемы параметрического усиления является возможность ее масштабирования до мультитераваттного и петаваттного уровня мощности с использованием уникальных широкоапертурных нелинейных кристаллов DKDP, выращиваемых в ИПФ РАН. В 2005 г. завершен второй этап работ в ИПФ РАН по созданию лазерного комплекса 200 ТВт-ного уровня мощности на основе нелинейных кристаллов с апертурой 10х10 см² и нового Nd/glass лазера накачки с энергией в импульсе до 75 Дж на второй гармонике. Аналогичный каскад усиления будет поставлен в ВНИИЭФ.

Третий этап работ по созданию оконечного мультипетаваттного усилительного каскада будет выполнен в ВНИИЭФ при участии специалистов ИПФ РАН в 2006 г. Для получения лазерного импульса с рекордной мощностью будет использован уникальный широкоапертурный кристалл DKDP с апертурой 30х30 см². В качестве накачки для параметрического усиления будет использовано излучение одного из каналов установки "Луч" с энергией до 1 КДж на удвоенной частоте и длительностью импульса около 1 нс. Это позволит получить выходной импульс лазерного излучения с мощностью более 100 Дж и длительностью около 50 фс. При фокусировке такого импульса в вакуумной камере на мишени будет достигнута интенсивность до 10²² Вт/см².

Тераваттная лазерная система с OPCPA на кристалле DKDP включает в себя три основных узла: систему накачки, систему инжекции чирпированных импульсов и трехкаскадный параметрический усилитель с системой диагностики, а также электронную систему синхронизации лазеров, которая обеспечивает одновременное прохождение по нелинейным кристаллам импульсов накачки и усиливаемого излучения.

Система инжекции включает фемтосекундный источник, стретчер, согласующие телескопы и дисперсионный элемент – призму – для придания соответствующей угловой дисперсии инжектируемому излучению. В качестве источника инжектируемого излучения используется фемтосекундный Cr:Forsterite-лазер со средней мощностью ~ 0.25 Вт, генерирующий импульсы с длительностью ~ 40 фс и шириной спектра ~ 400 см^-1 (FWHM). Стретчер с полосой пропускания 1000 см^-1 обеспечивает растяжение 40-фемтосекундного импульса инжектируемого излучения до длительности 0.5 нс.

Накачкой параметрического усилителя служит излучение второй гармоники одномодового одночастотного Nd:YLF лазера с длиной волны 527 нм, энергией до 1 Дж в импульсе длительностью 1.5–1.7 нс. Частота повторения импульсов 2 Гц. Интенсивность пучка накачки радиусом 5 мм на входе в параметрический усилитель имеет близкое к однородному поперечное распределение и составляет величину ~ 1 ГВт/см².

Трехкаскадный параметрический усилитель состоит из одного двухпроходного усилителя и одного однопроходного. Двухкаскадный параметрический усилитель осуществляет широкополосное преобразование чирпированных импульсов на сопряженной длине волны ₂₀= 1250 нм в импульсы сигнального излучения (₁₀= 911 нм) и их усиление в поле интенсивной накачки. Для уменьшения влияния расходимости излучения накачки на процесс преобразования радиус инжектируемого пучка составлял величину ~ 1 мм. Во втором каскаде первого усилителя осуществляется широкополосное усиление коллимированного сигнального излучения при тех же параметрах синхронизма, как и в первом каскаде, благодаря уголковому отражателю, отражающему сигнал, и ретропризме, отражающей накачку, что во многом облегчило настройку.

При компрессии сигнального излучения без точной подстройки системы стретчер – компрессор были получены импульсы с длительностью ~ 70 фс. Длительность импульсов измерялась с помощью SPIDER-системы, временной и спектральный профили реконструированного импульса представлены на рис. 2.

Лазер накачки параметрического усилителя III на неодимовом стекле работает с периодом одна вспышка за 30 минут и обеспечивает энергию на выходе пятикаскадного усилителя на фосфатном стекле с неодимом 110 Дж в основной гармонике и 60 Дж во второй при длительности импульса 1-1.5 нс. Многоступенчатый пространственный фильтр на основе диафрагменной линии обеспечил на выходе лазера коэффициент заполнения апертуры 0.65 (рис. 3).

Это позволило эффективно снять запасённую энергию и уменьшить число каскадов, а силовую часть удалось разместить на одном оптическом столе (фото). Расходимость выходного излучения составила три дифракционных предела. Такое значение расходимости удовлетворяет требованию, предъявляемому к излучению накачки третьего параметрического усилителя.

Третий параметрический усилитель (непросветленный кристалл DKDP длиной 80мм, чистой апертурой 100мм) имел коэффициент усиления по слабому сигналу 1600 раз при энергии накачки 65Дж. При входном сигнале несколько десятков миллиджоулей это обеспечивало глубокое насыщение параметрического усиления. Благодаря насыщению и хорошему качеству пучка накачки была достигнута энергия чирпированного импульса на входе в компрессор 14.5Дж (см. рис.4) при хорошем качестве пучка (рис.5). Максимальный физический КПД параметрического усилителя составил 25% по энергии. Спектр излучения при этом не обужался.

Для сжатия импульса использован вакуумный компрессор на основе двух дифракционных решеток и одного уголкового отражателя с чистой апертурой 110мм. Коэффициент пропускания компрессора составил 66%. Дистанционная система юстировки позволяла настраивать все оптические элементы компрессора с точностью 5 угловых секунд. В выходном излучении не наблюдалось ни обужения спектра, ни углового чирпа. Максимальная энергия скомпрессированных импульсов - 9Дж. Автокорреляционная функция приведена на рис.6. Ей соответствует импульс гауссовой формы длительностью по полувысоте 45фс. Таким образом, пиковая мощность на выходе фемтосекундного лазерного комплекса на основе параметрического усиления чирпированных импульсов составила 200ТВт. Эта величина в 12 раз превышает рекордный уровень, достигнутый в лазерах с параметрическим усилением чирпированных импульсов. Ближняя и дальняя зоны выходного излучения приведены на рис. 7.

Таким образом, экспериментально достигнут 200 тераваттный уровень пиковой мощности с помощью предложенной ранее архитектуры мощных фемтосекундных лазеров. Расчеты показывают, что для достижения мультипетаваттной мощности необходим еще один параметрический усилитель с апертурой 200-300мм и с энергией импульса накачки 1-2 кДж на длине волны 527 нм. Кристалл DKDP для такого усилителя уже выращен в ИПФ РАН, а лазер накачки существует в РФЯЦ-ВНИИЭФ (г. Саров) - один из каналов мощной установки на неодимовом фосфатном стекле “Луч”. В настоящее время ведутся работы по созданию на этой базе мультипетаваттного лазерного источника.

Публикации:

Ложкарев В.В., Гаранин С.Г., Герке Р.Р., Гинзбург В.Н., Катин Е.В., Кирсанов А.В., Лучинин Г.А., Мальшаков А.Н., Мартьянов М.А., Палашов О.В., Потемкин А.К., Рукавишников Н.Н., Сергеев А.М., Сухарев С.А., Хазанов Е.А., Фрейдман Г.И., Чарухчев А.В., Шайкин А.А., Яковлев И.В. 100 тераваттный фемтосекундный лазер на основе параметрического усиления // Письма в ЖЭТФ, т.82, №4, с.196-199, 2005

Андреев Н.Ф., Беспалов В.И., Бредихин В.И., Гаранин С.Г., Гинзбург В.Н., Дворкин К.Л., Катин Е.В., Корытин А.И., Ложкарев В.В., Палашов О.В., Рукавишников Н.Н., Сергеев А.М., Сухарев С.А., Фрейдман Г.И., Хазанов Е.А., Яковлев И.В. Новая схема петаваттного лазера на основе невырожденного параметрического усиления чирпированных импульсов в кристаллах DKDP // Письма в ЖЭТФ, т.79, №4, с.178-182, 2004

Катин Е.В., Ложкарев В.В., Палашов О.В., Хазанов Е.А. Синхронизация фемтосекундного лазера и лазера с модуляцией добротности с точностью 50 пс. // Квантовая электроника, т.33, №9, с.836-840, 2003

Потемкин А.К., Катин Е.В., Кирсанов А.В., Лучинин Г.А., Мальшаков А.Н., Мартьянов М.А., Матвеев А.З., Палашов О.В., Хазанов Е.А., Шайкин А.А. Компактный лазер на фосфатном стекле с неодимом с энергией 100 Дж и мощностью 100 ГВт для накачки параметрического усилителя чирпированных импульсов // Квантовая электроника, т.35, №4, с.302-310, 2005

Lozhkarev V.V., Freidman G.I., Ginzburg V.N., Khazanov E.A., Palashov О.V., Sergeev A.M., Yakovlev I.V. Study of broadband optical parametric chirped pulse amplification in DKDP crystal pumped by the second harmonic of a Nd:YLF laser // Laser Physics, v.15, №9, 2005