Модернизация лазерной системы THL-100 для получения мощного ТГЦ-излучения | Известия вузов. Физика. 2019. № 11. DOI: 10.17223/00213411/62/11/178

Модернизация лазерной системы THL-100 для получения мощного ТГЦ-излучения

Представляются результаты исследований параметров гибридной лазерной системы видимого диапазона THL-100, направленных на ее модернизацию с целью получения предельных параметров, необходимых для накачки нелинейных криcталлов и получения рекордных мощностей ТГц-излучения. Лазерная система состоит из Ti:Sa-стартового комплекса «Старт-480М» и фотодиссоционного XeF(C-A)-усилителя с апертурой 24 см. После модернизации стартовый комплекс обеспечивает спектрально ограниченный импульс излучения 60 фс на первой гармонике (950 нм) при энергии 25 мДж, а на второй гармонике (475 нм) - 50 фс при энергии 10 мДж. В случае положительно чирпированного импульса с длительностью 50 пс энергия на второй гармонике составляет 3 мДж. При увеличении в XeF(C-A)-усилителе отрицательно чирпированного импульса излучения на длине волны 475 нм с длительностью 1.8 пс достигается мощность 40 ТВт, а максимальная энергия 2 Дж. При усилении положительно чирпированного импульса с длительностью 50 пс реализуется наибольшая энергия 3 Дж.

Modernization of THL-100 laser system for producing powerful THZ radiation.pdf Введение Источники терагерцового (ТГц) излучения представляют огромный интерес благодаря широким возможностям их использования для научных исследований и прикладных задач. Этому способствуют высокая проникающая способность ТГц-излучения, высокая информативность спектров в ТГц-диапазоне и безопасность низкоэнергетических квантов ТГц-излучения для живой природы. Особый интерес в последнее время вызывают исследования в области создания мощных источников широкополосного ТГц-излучения для исследования спектральных свойств различных объектов, для одновременного зондирования многих газовых компонентов атмосферы, для проведения исследований процессов в области нелинейной оптики ТГц-диапазона и т.д. [1-6]. Однако существующие мощные источники (лазеры на свободных электронах) слишком габаритны и малодоступны для исследователей, а другие источники (оптические выпрямители, квантовокаскадные лазеры, узкополосные перестраиваемые даун-конверторы) слишком маломощны и имеют низкие эксплуатационные характеристики, поэтому непригодны для решения рассматриваемых перспективных задач. В ИСЭ СО РАН (г. Томск) в последние годы ведутся исследования возможностей создания мощных и надежных источников ТГц-излучения, как широкополосных, так и узкополосных, перестраиваемых в широком спектральном диапазоне [7-14]. Источники планируется создавать методами нелинейной кристаллооптики. Данные источники будут основаны на новых и ранее не использованных в ТГц-технике нелинейных средах с оригинальным сочетанием оптических свойств и неординарно мощной накачки, в том числе видимого диапазона спектра. В качестве нелинейных сред планируется использовать высокостойкие оксидные нелинейные кристаллы (НК), а в качестве накачки - уникальную гибридную лазерную систему THL-100, состоящую из импульсно-периодического фемтосекундного Ti:Sa-лазерного комплекса с удвоителем частоты и газового усилителя на молекулах XeF(C-A). Для накачки нелинейных кристаллов требуется иметь широкий диапазон параметров лазерного излучения как по длительности импульса, так и по его энергии. Настоящая работа посвящена модернизации лазерной системы THL-100 с целью получения необходимых параметров лазерного излучения для накачки НК. В работе описывается лазерная система THL-100 и приводятся полученные на ней результаты. Лазерная система THL-100 Лазерная система THL-100 включает Ti:сапфировый фемтосекундный стартовый комплекс «Старт-480М», изготовленный фирмой «Авеста-Проект», и фотодиссоционный XeF(C-A)-усилитель, разработанный и созданный в ИСЭ СО РАН (г. Томск) совместно с ФИАН (г. Москва) [15-21]. Комплекс состоит из следующих узлов: Ti:сапфирового задающего генератора фемтосекундных импульсов с непрерывным лазером накачки (Verdy-8) на длине волны 532 нм, решеточного стретчера, регенеративного и двух многопроходных усилителей с импульсно-периодичес¬кими лазерами накачки на длине волны 532 нм, компрессора на дифракционных решетках и генератора второй гармоники (ВГ) на основе кристалла KДП первого типа толщиной 2 мм. Лазерная система может работать по двум оптическим схемам. В первой схеме вторая гармоника формируется в стартовом комплексе при фемтосекундной длительности импульса основной частоты после решеточного компрессора. Далее импульс излучения удлиняется в призменном паре до 1-2 пс за счет отрицательной дисперсии групповых скоростей и усиливается в XeF(C-A)-усилителе. Выходной пучок может обратно сжиматься до фемтосекундной длительности в компрессоре за счет двойного прохода коллимированного пучка диаметром 20 см через три пластины из плавленого кварца толщиной 4 см, расположенных под углом Брюстера. Потери энергии излучения в компрессоре не превышают 2 %. Во второй схеме излучение на длине волны 950 нм, усиленное в многопроходных усилителях стартового комплекса, направляется на нелинейный кристалл, минуя выходной компрессор. После преобразования во вторую гармонику пучок с помощью зеркального телескопа увеличивается в диаметре и направляется в XeF(C-A)-усилитель. При этом, как и в первой схеме, для геометрического согласования с многопроходной схемой усилителя пучку придается небольшой угол расхождения. XeF(C-A)-усилитель возбуждается ВУФ-излучением электронно-пучкового конвертера, преобразующего энергию электронных пучков в излучение ксенона на длине волны 172 нм. Это излучение через окна, изготовленные из CaF2, заходит в лазерную кювету со смесью N2-XeF2. В результате фотодиссоциации паров XeF2 образуются возбужденные молекулы XeF(C), которые высвечиваются при переходе в состояние (А). Усиление происходит на 33 проходах по активной среде усилителя за счет отражения от 32 зеркал с постепенно увеличивающимся диаметром, установленных внутри лазерной камеры по периметру внутренних фланцев лазерной кюветы. Коэффициент отражения зеркал находится в диапазоне 99.5-99.7 %. Для снижения влияния дифракции пучка на краях зеркал в усилителе на его входе располагается зубчатая диафрагма с внутренним диаметром 13 мм и отношением высоты зуба к шагу h/d = 7, которая вырезает центральную часть гауссова пучка по уровню е2 и приводит к более резкому спаду интенсивности на его краях. За счет угла расхождения пучок постоянно увеличивается в диаметре с 15 мм (на входе) до 60 мм (на предпоследнем зеркале). Предпоследнее выпуклое зеркало (R = 5 м) направляло пучок на плоское зеркало диаметром 100 мм, расположенное на оптической оси. После отражения от этого зеркала пучок распространялся по оптической оси кюветы и выводится наружу с диаметром 120 мм и углом расхождения 24 мрад. Модернизация ТHL-100 осуществлялась за счет замены многих оптических элементов, параметры которых за счет их длительной эксплуатации уже не отвечали необходимым требованиям. В связи с этим параметры излучения существенно снизились. Методики измерения параметров лазерных пучков подробно описаны в предыдущих публикациях авторов [15-21]. Экспериментальные результаты Рис. 1. Распределение интенсивности излучения на второй гармонике Поскольку для исследования условий генерации ТГц-излучения требуются различные параметры излучения накачки (длительность импульса, энергия, мощность, спектральный состав), то на это было обращено особое внимание. Для этого мы использовали две оптические схемы лазерной системы. Для использования лазерного пучка очень важна его однородность по интенсивности и высокая направленность. В связи с этим были найдены условия для формирования в стартовом комплексе гауссова пучка как на первой, так и на второй гармониках (рис. 1). Его расходимость была близка к дифракционной (М2 = 1.2). Энергия основной частоты в стартовом комплексе до компрессора была увеличена с 12 до 30 мДж. В случае преобразования этого излучения после компрессора (при спектрально ограниченном импульсе) на ВГ ее энергия составляла 10 мДж при длительности 50 фс. За счет изменения расстояния между решетками компрессора стартового комплекса мы могли обеспечивать отрицательный или положительный чирп импульса излучения основной частоты. При этом длительность ВГ могла изменяться от 50 до 700 фс. Следует отметить, что при удлинении импульса накачки эффективность ВГ снижалась. Так, в случае преобразования импульса излучения основной частоты с длительностью 100 пс на полувысоте амплитуды (вторая схема) эффективность преобразования снижается в 3-4 раза и энергия ВГ была 3 мДж при длительности импульса 50 пс (рис. 2 и 3). Рис. 2. Форма импульса излучения на первой гармонике Рис. 3. Форма импульса излучения на второй гармонике Для повышения энергии и мощности лазерного пучка ВГ использовался XeF(C-A)-усилитель. Усиление пучка ВГ по первой оптической схеме после придания ему в выходном компрессоре отрицательного чирпа (700 фс) и далее в призменной паре его увеличение до длительности 1.8 пс показало, что при входной энергии в усилитель 50-80 мкДж выходная энергия составляла 1- 1.2 Дж. При этом в нелинейном кристалле происходило уширение спектра ВГ примерно в 1.5 раза. Поэтому после компрессии усиленного импульса излучения в стеклянном компрессоре его длительность была 29.4 фс (рис. 4). Это соответствует мощности лазерного пучка 40 ТВт. При увеличении длительности импульса ВГ до 2.4 пс и энергии пучка до 1-2 мДж была получена выходная энергия 2 Дж. Однако сделать рекомпрессию этого пучка до фемтосекундной длительности не позволяли нелинейные эффекты в стеклянном компрессоре. Рис. 4. Автокорреляционная функция усиленного импульса излучения Наибольшая энергия усиленного пучка в XeF(C-A)-усилителе 3 Дж была получена при работе по второй оптической схеме. При этом наблюдалась достаточно хорошая однородность энергии излучения по сечению 11 пучка (рис. 5). Рис. 5. Автограф усиленного в XeF(C-A)-усилителе пучка при длительности 50 пс и энергии 3 Дж Заключение Таким образом, в результате модернизации лазерной системы получены следующие параметры излучения. На первой гармонике (950 нм): длительность импульса 60-700 фс, 100 пс, энергия 1-30 мДж. На второй гармонике (475 нм): длительность импульсов 50-700 фс, 2 пс, 50 пс, энергия 1-10 мДж. В обоих случаях частота следования импульсов 10 Гц. На выходе газового усилителя в режиме одиночных импульсов получен лазерный пучок с энергией 3 Дж при длительности импульса 50 пс и 1-1.2 Дж при длительности импульса 2 пс. Выходная мощность лазерного пучка повышена с 14 до 40 ТВт. Весь набор лазерных пучков, которые приведены выше, планируется использовать в экспериментах для накачки новых нелинейных кристаллов и генерации ТГц-излучения. Для достижения высокой мощности генерации ТГц-излучения будут использованы субдециметровые образцы НК, а также, после исследования оптических свойств и выяснения возможностей применимости, образцы полупроводниковых и оксидных НК, таких, как чистый и легированный GaSe, LBO, BBO и т.д.

Ключевые слова

гибридная лазерная система, газовый усилитель, фемтосекундный комплекс, вторая гармоника, энергия излучения, лазерный пучок, hybrid laser system, gas amplifier, femtosecond complex, second harmonic, radiation energy, laser beam

Авторы

ФИООрганизацияДополнительноE-mail
Алексеев Сергей ВладимировичИнститут сильноточной электроники СО РАНмл. науч. сотр. ИСЭ СО РАНdarok@sibmail.com
Андреев Юрий МихайловичИнститут сильноточной электроники СО РАНд.ф.-м.н., гл. науч. сотр. ИСЭ СО РАНyuandreev@yandex.ru
Лосев Валерий ФедоровичИнститут сильноточной электроники СО РАНд.ф.-м.н., зав. лабораторией ИСЭ СО РАНlosev@ogl.hcei.tsc.ru
Лубенко Дмитрий МихайловичИнститут сильноточной электроники СО РАНмл. науч. сотр. ИСЭ СО РАНlubenkodm@gmail.com
Всего: 4

Ссылки

Stepanov A.G., Henin S., Petit Y., and et al. // Appl. Phys. B. - 2010. - V. 101. - P. 11-14.
Fülöp J.A., Pálfalvi L., Klingebiel S., and et al. // Opt. Lett. - 2012. - V. 37. - No. 4. - P. 557- 559.
Hoffmann M.C. and Fülöp J.A. // J. Phys. D: Appl. Phys. - 2011. - V. 44. - P. 083001.
Zhang X.-C. and Xu J. Introduction in THz Wave Photonics. - N.Y.: Springer, 2010. - 246 р.
Ding Y.J. // J. Opt. Soc. Am. B. - 2014. - V. 31. - No. 11. - P. 2696-2711.
Antsygin V.D., Mamrashev A.A., Nikolaev N.A., et al. // Opt. Commun. - 2013. - V. 309. - P. 333-337.
Antsygin V.D., Losev V.F., Mamrashev A.A., et al.// Optoelectronics, Instrumentation and Data Processing. - 2016. - V. 52. - No. 4. - P. 374-380.
Andreev Yu.M., Naftaly M., Molloy J.F., et al. // Laser Phys. Lett. - 2015. - V. 12. - No. 11. - P. 115402.
Анцыгин В.Д., Лосев В.Ф., Мамрашев А.А. и др. // Автометрия. - 2016. - Т. 52. - № 4. - С. 71-78.
Лубенко Д.М., Лосев В.Ф., Андреев Ю.М. и др. // Изв. вузов. Физика. - 2016. - Т. 59. - № 7/2. - С. 144-148.
Кононова Н.Г., Кох А.Е., Кох К.А. и др. // Изв. вузов. Физика. - 2016. - Т. 59. - № 8. - C. 164- 171.
Лубенко Д.М., Лосев В.Ф., Андреев Ю.М. и др. // Известия РАН. Сер. физич. - 2019. - Т. 83. - № 3. - С. 311-315.
Николаев Н.А., Андреев Ю.М., Кононова Н.Г. и др. // Квантовая электроника. - 2018. - Т. 48. - № 1. - С. 19-21.
Лубенко Д.М., Лосев В.Ф., Андреев Ю.М., Ланский Г.В. // Известия РАН. Сер. физич. - 2017. - Т. 81. - № 10. - С. 1376-1381.
Алексеев С.В., Аристов А.И., Иванов Н.Г. и др. // Квантовая электроника. - 2012. - Т. 42. - № 5. - С. 377-378.
Алексеев С.В., Иванов М.В., Иванов Н.Г. и др. // Изв. вузов. Физика. - 2014. - Т. 57. - № 12/2. - С. 101-105.
Losev V.F., Alekseev S.V., Ivanov N.G., et al. // Изв. вузов. Физика. - 2012. - T. 55. - № 11/3. - С. 277-281.
Алексеев С.В., Аристов А.И., Грудцын В.Я. и др. // Квантовая электроника. - 2013. - Т. 43. - С. 190-200.
Alekseev S.V., Aristov A.I., Ivanov N.G., et al. // Laser and Particle Beams. - 2013. - V. 31. - No. 1. - P. 17-21.
Алексеев С.В., Иванов М.В., Иванов Н.Г. и др. // Изв. вузов. Физика. - 2015. - Т. 58. - № 8. - С. 50-54.
Иванов Н.Г., Иванов М.В., Лосев В.Ф., Ястремский А.Г. // Изв. вузов. Физика. - 2016. - Т. 59. - № 7. - С. 65-73.
 Модернизация лазерной системы THL-100 для получения мощного ТГЦ-излучения | Известия вузов. Физика. 2019. № 11. DOI: 10.17223/00213411/62/11/178

Модернизация лазерной системы THL-100 для получения мощного ТГЦ-излучения | Известия вузов. Физика. 2019. № 11. DOI: 10.17223/00213411/62/11/178