Фотохимический XeF(C-A)-усилитель фемтосекундных импульсов с накачкой излучением электронно-пучкового конвертера тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.21, кандидат физико-математических наук Аристов, Андрей Игоревич

• Аристов, Андрей Игоревич
• кандидат физико-математических наук
• 2012

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Аристов, Андрей Игоревич

1 Введение

1.1 Актуальность темы

В этом разделе мы рассмотрим основные вехи в развитии фотохимического метода накачки газовых лазерные сред и обсудим принципы и технологии, применяемые в гибридных (твердое тело / газ) системах.

Основная идея гибридных лазерных технологий состоит в комбинации широко распространенных фемтосекундных комплексов на титан-сапфире и газовых усилителей, обладающих привлекательными характеристиками для усиления второй гармоники фемтосекундного стартового комплекса. В самом деле, газовая активная среда позволяет работать с гораздо большими интенсивностями, чем в случае использования кристаллов, поскольку разреженный газ обладает меньшей нелинейностью и обладает более высоким порогом ионизации.

1.1.1 Усиление сверхкоротких импульсов на эксимерных переходах (В-X).

С появлением первых фемтосекундных осцилляторов на основе красителей, газовые усилители с накачкой электронным пучком либо открытым разрядом широко применялись в качестве выходных каскадов усиления для получения больших энергий. Применение традиционных эксимерных соединений — галогенидов благородных газов — позволило достичь тераваттного уровня мощности [1; 2].Такие газовые усилители использовали переходы из сильносвязанного с ионным типом связи В-состояния в слабосвязанное Х-состояние в случае ArF, XeCl и XeF либо в разлетное состояние X в случае KrF. Подобные системы позволили достичь тераваттных мощностей в импульсах длительностью до четверти пикосекунды.

Из большого числа публикаций стоит подчеркнуть следующие наиболее заметные результаты: 60-мДж импульс 700-фс длительности на А о = 193 нм (ArF) [3], 1.5 Дж в импульсе 400 фс на А0 = 248 нм (KrF) [4], и 300 мДж в импульсе 300 фс на Х0 = 308 нм (XeCl) [5].

Интенсивности в сфокусированном пучке достигли 1019 W/cm2, продемонстрировав низкий уровень искажения в газовой среде, а также преимущества короткой

1.5 Цели работы

1. Создание фемтосекундного гибридного комплекса на основе титан-сапфирового задающего генератора и фотохимического ХеР(С-А) усилителя с накачкой излучением электронно-пучкового конвертера с целью отработки новых технологий, лежащих в его основе, и выяснения перспектив получения в нем муль-титераваттной мощности.

2. Исследование энергетических и усилительных характеристик ХеР(С-А)-усилителя с накачкой излучением электронно-пучкового конвертера.

3. Разработка систем чирпирования задающего импульса на длине волны 2-ой гармоники ТкЭа генератора и обратного сжатия усиленного импульса, характеризующихся низким уровенем фазовых искажений порядка длины волны.

4. Достижение режима насыщения в активной среде ХеР(С-А) при усилении отрицательно чирпированного импульса и последнующего сжатия в 50-фс диапазон в компрессоре на основе положительной дисперсии групповых скоростей в объеме стекла.

1.6 Научная новизна

Впервые создана гибридная 50-фемтосекундная система на основе твердотельного ТкЭа генератора задающих импульсов и газового фотохимического ХеР(С-А)-усили-теля. Особенностью данной системы являются видимый спектральный диапазон на длине волны 475 нм и высокий ожидаемый контраст.

1.7 Практическая ценность

Создана уникальная фемтосекундная система, работающая в сине-зеленом спектральном диапазоне, и разработаны ключевые технологии, позволяющие конструировать гибридные фемтосекундные системы сине-зеленого спектрального диапазона с пиковой мультитераваттной мощности.

Экспериментальная установка и методы измере

Структура установки выглядит следующим образом (рис. 7):

1. задающий генератор 50-фемтосекундных импульсов на длине волны 940 нм с энергией 12 мДж (путь луча от 1 до 16-го зеркала);

2. генератор второй гармоники с энергией на выходе 5 мДж (2и на рисунке);

3. пространственный фильтр, устраняющий дефекты в профиле пучка после удвоении частоты (22-25);

4. призменный стретчер, чирпирующий сверхкороткий импульс до 1 пикосекунды за счет внесения отрицательной дисперсии во избежание фазовых искажений в усилителе (27-29);

5. ХеР(С-А) усилитель с оптической накачкой на базе ксенонового электронно-пучкового конвертера (32-34);

6. компрессор импульсов на основе положительной дисперсии в кварце. Во избежание нелинейных эффектов пучок расширяется в диаметре перед сжатием в стекле (36 и далее).

2.3 Призменный стретчер.

Для чирпирования фемтосекундных импульсов в пикосекундный диапазон разработан и изготовлен стретчер на базе призменной пары.

Луч прошедший через первую призму получает угловую дисперсию. Вторая призма расположена таким образом, что длинноволновые и коротковолновые компоненты спектра проходят разный оптический путь в объеме стекла. После прохождения пары призм в обратном направлении компоненты спектра удваивают разницу оптического пути и импульс вновь коллимируется. На выходе получается чирпированный импульс. Из-за меньшей угловой дисперсии призм по сравнению с решетками, призменный стретчер не используется для чирпирования в наносекундный диапазон, но идеально подходит для преобразования длительности в пикосекунды. Такой стретчер использует углы брюстера для снижения потерь (для стретчера на решетках характерны потери до 50%). Пучок выходит из стретчера соосно падающему лучу. Заглублением любой из призм (заглубление — это сдвиг призмы перпендикулярно основанию в направлении вершины) вносится положительная дисперсия, при этом не меняется оптический путь луча, а дисперсия плавно регулируется от положительных до отрицательных величин с проходом через ноль. Подробный расчет стретчера представлен в разделе 2.3.

Стретчер с отрицательной дисперсией используется в системе, чтобы реализовать сжатие усиленных в газовом усилителе импульсов в стекле за счет положительной дисперсии. Величина дисперсии, вносимой призменным стретчером определяется следующими факторами.

Во-первых, сверхкороткий импульс приобретает положительный чирп в окнах усилителя.

Во-вторых, дипольные молекулы возбужденного ХеГ наиболее эффективны при усилении линейно поляризованного импульса с длительностью большей периода вращения молекул. Данный эффект наиболее ощутим в режиме насыщения (см. раздел 2.3.2).

В-третьих, необходимо уменьшить влияние кубической нелинейности в выходном окне усилителя (см. раздел 2.3.4).

В-четвертых, небольшое влияние оказывает разлетное время нижнего состояния