Influence of chirp of the fundamental frequency pulse radiation on the spectral-time characteristics of second harmonic.pdf Введение В настоящее время все сверхмощные лазерные системы с фемтосекундной длительностью импульса работают на кристаллах Ti:Sa (прямое усиление - CPA) или (Д)КДП (параметрическое преобразование - OPCPA). Длина волны излучения таких лазеров находится в ИК-области спектра (0.8-1 мкм). Однако для многих приложений требуются мощные лазерные пучки в видимой или УФ-области спектра, которые позволяют существенно повысить эффективность взаимодействия лазерного излучения с веществом и обеспечить получение совершенно новых физических явлений [1, 2]. Основной метод получения лазерного излучения с более короткой длиной волны заключается в генерации второй гармоники (ГВГ) в нелинейных кристаллах, который, в принципе, позволяет в сверхмощных лазерных системах получать на длине волны 400 нм десятки тераватт и более [3, 4]. Однако данный метод имеет существенный недостаток - преобразованное излучение имеет очень низкое качество излучения из-за фазовой самомодуляции, кроссмодуляции, керровской самофокусировки и глубокой модуляции спектра второй гармоники в нелинейном кристалле [5-7]. Поэтому на выходе из кристалла импульс излучения ВГ не является спектрально-ограниченным по длительности и имеет невысокую пространственную когерентность. Все это снижает эффективность использования таких пучков для достижения предельной интенсивности излучения на мишени. Существует другой метод получения лазерного излучения с более короткой длиной волны, который не требует преобразования спектра излучения при высокой мощности излучения. В этом методе ГВГ осуществляется при низкой энергетике основной частоты, а наращивание энергии происходит в мощном выходном усилителе. Данный метод был предложен в работе [8] и реализован в гибридной лазерной системе THL-100, состоящей из Ti:Sa-фемтосекундного комплекса и газового усилителя на молекулах XeF(C-A) [9-12]. К настоящему времени на этой системе получена мощность 14 ТВт (λ = 475 нм, длительность импульса 50 фс) и существует перспектива ее повышения вплоть до 100 ТВт. Один из путей повышения мощности лазерной системы THL-100 заключается в сокращении длительности выходного импульса излучения газового усилителя на молекулах XeF(C-A) при сохранении его энергии. Для этого требуется увеличить спектральную ширину импульса излучения ВГ, а активная среда на молекулах XeF(C-A) имеет широкий контур усиления и теоретически позволяет усиливать импульс излучения с длительностью до 10 фс [13]. Известен метод уширения спектра фс-импульса излучения за счет фазовой самомодуляции в оптических материалах с кубичной нелинейностью [10, 14-16]. Однако при этом требуется дополнительный элемент в лазерной системе (обычно стеклянная пластина). Также известен метод уширения спектра фс-импульса излучения основной частоты и его последующая компрессия в средах с квадратичной нелинейностью, но при этом также требуется дополнительный элемент [17]. В ряде работ показана возможность уширения спектра и последующая компрессия импульса излучения ВГ непосредственно в самом нелинейном кристалле. Так, в [7] при высоких интенсивностях на КДП (2-3 ТВт/см2) теоретически показана возможность уменьшения длительности импульса второй гармоники с 70 до 20 фс. В работе [18] демонстрируется сокращение длительности импульса почти в 2 раза непосредственно при ГВГ в двух нелинейных кристаллах ВВО для более низких интенсивностей накачки (50 ГВт/см2). При этом импульсу излучения основной гармоники (800 нм) со спектрально-ограниченной длительностью 49 фс придавался положительный чирп в выходном компрессоре лазерной системы, так что в кристаллах BBO преобразовывался импульс с длительностью 600 фс. После сжатия полученного импульса излучения второй гармоники (400 нм) в компрессоре с отрицательной дисперсией групповых скоростей его длительность уменьшилась до 29 фс (коэффициент сжатия ~ 1.7). Для сокращения длительности импульса ВГ в лазерной системе THL-100 наиболее привлекательным путем является уширение спектра излучения ВГ непосредственно в самом нелинейном кристалле при невысоких интенсивностях излучения накачки. В связи с этим, цель настоящей работы заключалась в изучении возможности сокращения длительности спектрально-ограниченного импульса излучения второй гармоники фемтосекундного комплекса лазерной системы ТHL-100 в нелинейном кристалле КДП для дальнейшего его усиления в газовом усилителе и повышения выходной мощности лазерного пучка. В работе представлены результаты исследования условий уширения и последующей компрессии импульса излучения ВГ на центральной длине волны 475 нм для слабочирпированного импульса излучения основной частоты при ее интенсивностях ~ 50-80 ГВт/см2. Экспериментальная аппаратура Для экспериментального исследования уширения спектра при ГВГ использовался фемтосекундный Ti:sapphire стартовый комплекс, который является задающим генератором для мультитераваттной лазерной системы THL-100. Стартовый комплекс состоит из задающего генератора, стретчера, регенеративного и двух многопроходных усилителей и компрессора на дифракционных решетках. В компрессоре путем изменения расстояния между решетками импульсу основной частоты с центральной длиной волны 945 нм задавался небольшой чирп, при этом импульс удлинялся на 80-100 фс. При уменьшении расстояния между решетками импульс приобретал положительный чирп, а при увеличении - отрицательный. Для генерации второй гармоники использовался кристалл КДП толщиной 1.8 мм, настроенный по углу синхронизма на максимум эффективности ГВГ. Для получения спектрально-ограниченной длительности импульса излучения ВГ избыточная положительная дисперсия компенсировалась в призменной паре, а отрицательная дисперсия - в блоке стекла К8. В экспериментах использовался Гауссов пучок основной частоты со спектрально-ограниченной длительностью 70 фс и энергией 10-15 мДж. Спектральный состав излучения в экспериментах регистрировался спектрометрами ASP150С (Авеста-проект) и Ocean Optics (HR4000CG-UV-NIR). Длительность импульса излучения ВГ измерялась с помощью одноимпульсного автокоррелятора ASF-20 (Авеста-проект) в приближении sech2. Результаты экспериментов и их обсуждение На рис. 1 приведен спектр импульса излучения основной частоты, который использовался в эксперименте. Центральная длина волны была 950 нм, а ширина спектра на полувысоте составляла 22-25 нм. На первом этапе эксперимента осуществлялось преобразование излучения основной частоты во вторую гармонику с минимальной длительностью импульса. Этот импульс излучения получался при оптимальном расстоянии между решетками компрессора. При этом полуширина спектрального контура излучения ВГ находилась на уровне 5-6 нм, длительность импульса 56- 66 фс и энергия 2-3 мДж (исходный импульс). Далее мы вносили положительный или отрицательный чирп в импульс излучения основной частоты изменением расстояния между решетками компрессора относительно этого оптимального расстояния и регистрировали параметры второй гармоники. Энергия преобразованного излучения для этих случаев снижалась примерно в 2 раза. При исследовании преобразования основной частоты во вторую гармонику с отрицательным чирпом ширина спектра ВГ исходного импульса была 6 нм (рис. 2, а). Небольшая раздвижка решеток компрессора на 0.57 мм относительно оптимального расстояния приводила к уширению спектра ВГ в коротковолновую область примерно в 1.5 раза (рис. 2, б). Оценка величины избыточной отрицательной дисперсии групповых скоростей для этого случая дала -3200 фс2. Дальнейшее увеличение расстояния между решетками не увеличивало ширину спектра, а приводило к модуляции интенсивности спектрального контура. Длительность исходного импульса ВГ была 56 фс, а чирпированного импульса - 82 фс (рис. 3). Для компенсации отрицательной дисперсии и сокращения длительности импульса ВГ использовалась стеклянная пластина толщиной 1 см. Длительность импульса излучения ВГ после стеклянной пластины была 37 фс (рис. 3). Таким образом, при отрицательном чирпе основной гармоники было получено уширение спектрального контура излучения ВГ в 1.5 раза и сокращение ее длительности импульса во столько же раз по сравнению с исходным импульсом. Рис. 1. Спектр импульса излучения основной частоты Рис 2. Спектральный контур импульсов излучения ВГ без чирпа (а) и с отрицательным чирпом (б) Рис. 3. Автокорреляционные функции для исходного (кр. 1), отрицательно чирпированного (кр. 2) и укороченного (кр. 3) импульсов излучения ВГ. Соответствующие длительности импульсов 56, 82 и 37 фс В экспериментах с положительным чирпом расстояние между решетками было уменьшено на 0.71 мм относительно оптимального расстояния. Именно при этом положении решеток регистрировался максимально широкий спектр второй гармоники. Величина положительной избыточной дисперсии для этого случая была 4000 фс2. При этом полуширина спектрального контура ВГ увеличилась, по сравнению с исходной, практически в 2 раза - с 6.2 до 11.1 нм (рис. 4). При дальнейшем увеличении избыточной положительной дисперсии в компрессоре начинала возникать модуляция интенсивности на спектральном контуре. В этом эксперименте длительность исходного импульса излучения ВГ была 66 фс, а чирпированного импульса - 102 фс. Для компрессии этого импульса использовалась призменная пара с расстоянием между призмами 0.9 м. Для уменьшения положительной дисперсии материала призм лазерный пучок проводился максимально близко к их вершине. На рис. 5 приведены автокорреляционные функции для исходного (а) и сжатого (б) импульсов излучения ВГ. Видно, что длительность исходного импульса с 66 фс уменьшилась до 35 фс. Энергия излучения при этом была 1 мДж. Рис. 4. Спектральный контур исходного (а) и уширенного (б) импульсов излучения ВГ в экспериментах с положительным чирпом Рис. 5. Автокорреляционные функции для исходного (а) и укороченного (б) импульсов излучения ВГ при положительном чирпе основной частоты. Верхняя надпись показывает реальную длительность импульса Механизм уширения спектрального контура излучения ВГ при накачке нелинейного кристалла чирпированным импульсом излучения основной гармоники можно объяснить, если воспользоваться выражением ∆ν 2ω/∆νω = (4-3(τ/τch)2)0.5, приведенным в работе [5], где ∆νω - ширина спектра основной частоты; ∆ν2ω - ширина спектра второй гармоники; τ - длительность спектрально-ограниченного импульса основной частоты; τch - длительность чирпированного импульса на основной частоте. Согласно этому выражению, в нашем случае должно происходить уширение спектрального контура ВГ при отрицательном и положительном чирпе в 1.68 и 1.8 раза соответственно. Заключение Таким образом, проведены исследования возможности уширения спектра излучения второй гармоники непосредственно в нелинейном кристалле и последующего сокращения ее длительности импульса при накачке слабочирпированным импульсом излучения основной частоты. Показано, что обеспечение в компрессоре фемтосекундного комплекса небольшой избыточной дисперсии групповых скоростей (± 3200-4000 фс2) для излучения основной частоты (λ = 945 нм) позволяет увеличивать ширину спектра излучения второй гармоники. При этом в случае отрицательно чирпированного импульса накачки спектральная ширина второй гармоники увеличивается в 1.5 раза, а в случае положительного - в 2 раза. Компрессия импульса излучения с уширенным спектром позволяет сокращать длительность импульса второй гармоники примерно пропорционально уширению спектра. Получена минимальная длительность импульса излучения ВГ 35 фс, что в 2 раза короче длительности импульса излучения основной гармоники.

Скачать электронную версию публикации