|
ИСТИНА |
Войти в систему Регистрация |
ИСТИНА ЦЭМИ РАН |
||
Разработка и создание фемтосекундной лазерной системы гигаваттного уровня мощности в среднем ИК диапазоне (4-5 мкм) на основе широкополосного усиления в кристалле Fe2+:ZnSe и схемы нелинейно-оптической компрессииНИР
- Руководитель НИР: Гордиенко В.М.
- Участники НИР: Бравый Б.Г., Гарматина А.А., Жвания И.А., Мареев Е.И., Мигаль Е.А., Платоненко В.Т., Подшивалов А.А., Потёмкин Ф.В., Пушкин А.В., Семенов Т.А., Фирсов В.В.
- Подразделение: Международный учебно-научный лазерный центр
- Срок исполнения: 10 июля 2014 г. - 31 декабря 2016 г.
- Номер договора (контракта, соглашения): 14-12-00520
- Номер ЦИТИС: 01201463974
- Тип: Фундаментальная
- Приоритетное направление научных исследований: Получение сверхсильных световых полей и их применение
-
Рубрики ГРНТИ:
- 29.33.15 Оптические квантовые генераторы и усилители (лазеры)
- 29.33.17 Методы управления оптическим излучением
- 29.33.43 Распространение лазерного излучения
- 29.33.47 Воздействие лазерного излучения на вещество
-
Ключевые слова:
генерация суперконтинуума, средний ик диапазон, фемтосекундные световые импульсы, нелинейно-оптическое сжатие импульса
-
Описание:
Целью проекта является разработка новой схемы и создание лабораторного макета фемтосекундной лазерной системы мультигигаваттного уровня мощности, генерирующей в диапазоне 4-5 мкм и состоящей из блока затравочного излучения сверхкороткой длительности, двухкаскадного усилителя по схеме усиления чирпированных импульсов на основе широкополосного Fe2+:ZnSe активного элемента с оптической накачкой излучением YSGG:Cr:Er лазера и выходного каскада, в котором реализуется процесс нелинейно-оптического сжатия до длительности не более 100фс в среде с соответствующим знаком дисперсии групповой скорости. До настоящего времени в литературе отсутствуют какие-либо экспериментальные данные об усилении фемтосекундных импульсов до гигаваттного уровня мощности в относительно новой активной среде Fe2+:ZnSe, что позволяет считать данный проект актуальным и имеющим несомненную новизну.
-
Основные результаты:
1. Разработана концепция и расчитана схема субтерраватной фемосекундной лазерной системы среднего ИК диапазона (4-5мкм). Лазерная система состоит из блока затравочного излучения сверхкороткой длительности, многопроходного усилителя по схеме усиления чирпированных импульсов на основе широкополосного Fe2+:ZnSe активного элемента с оптической накачкой излучением YSGG:Cr:Er лазера, компрессора усиленных сверхкоротких импульсов. Выходные параметры лазерно системы: энергия импульса 2 мДж, длительность импульса 200 фс. 2. Нами разработана конструкция и создан на отечественной элементной базе твердотельный YSGG:Cr:Er лазер с модуляцией добротности с использованием затвора с нарушенным полным внутренним отражением и двухпроходового усилителя с поляризационной развязкой, что позволило получить выходную энергию около 140 мДж при длительности генерируемого импульса 40нс. При переходе в импульсно-периодический режим (3Гц) достигнута рекордная величина выходной энергии до 100мДж при сохранении гауссова распределении интенсивности в пучке. 3. С помощью созданного YSGG:Cr:Er лазера с модуляцией добротности осуществлена оптическая накачка Fe2+:ZnSe лазера при плотности энергии 0.6 Дж/см^2. Достигнут дифференциальный к.п.д. генерации по поглощенной энергии порядка 30%. Полученные экспериментальные результаты по выходной энергии лазера в режиме свободной генерации (3-4 мДж) дали оценку на возможное значение энергии усиленного в многопроходовом режиме импульса. 4. Разработана схема компрессии лазерных импульсов среднего ИК диапазона (4-5мкм) в прозрачных диэлектрических кристаллах CaF2 (BaF2) с использованием процессов фазовой самомодуляции на Керровской нелинейности и аномальной дисперсии групповых скоростей. Компрессор фемтосекундного излучения среднего ИК диапазона с центральной длиной волны 4.5 мкм позволяет сократить длительность 200 фемтосекундного импульса (энергия 2мДж, мощность 9.4 GW, интенсивность 1.5 ТВТ/см^2) до величины 17 фс (практически один период световых колебаний) на оси пучка (r = 0,25 мм) и до 30 фс в приосевой области пучка (r = 0.74 мм), что приводит к увеличению выходной мощности в 2,5 раза. Проведенные расчеты показали необходимость учета начальной концентрации свободных носителей, которые могут присутствовать в кристалле. Продемонстрирована возможность масштабирования параметров компрессора для получения в области 4,5 мкм мультитераваттных мощностей с длительностью импульса меньше или порядка 2 периодов и выходной энергией порядка 200мДж, что позволит выйти при фокусировке на релятивистский уровень интенсивностей порядка 10^17Вт/см^2.
- Добавил в систему: Потёмкин Фёдор Викторович
Соисполнители НИР
| МГУ | Координатор |
Источник финансирования НИР
| грант РНФ |
Этапы НИР
| # | Сроки | Название |
| 1 | 1 июня 2014 г.-15 декабря 2014 г. | Разработка и создание фемтосекундной лазерной системы гигаваттного уровня мощности в среднем ИК диапазоне (4-5 мкм) на основе широкополосного усиления в кристалле Fe2+:ZnSe и схемы нелинейно-оптической компрессии |
| Результаты этапа: 1. Разработана концепция и расчитана схема субтерраватной фемосекундной лазерной системы среднего ИК диапазона (4-5мкм). Лазерная система состоит из блока затравочного излучения сверхкороткой длительности, многопроходного усилителя по схеме усиления чирпированных импульсов на основе широкополосного Fe2+:ZnSe активного элемента с оптической накачкой излучением YSGG:Cr:Er лазера, компрессора усиленных сверхкоротких импульсов. Выходные параметры лазерно системы: энергия импульса 2 мДж, длительность импульса 200 фс. 2. Нами разработана конструкция и создан на отечественной элементной базе твердотельный YSGG:Cr:Er лазер с модуляцией добротности с использованием затвора с нарушенным полным внутренним отражением и двухпроходового усилителя с поляризационной развязкой, что позволило получить выходную энергию около 140 мДж при длительности генерируемого импульса 40нс. При переходе в импульсно-периодический режим (3Гц) достигнута рекордная величина выходной энергии до 100мДж при сохранении гауссова распределении интенсивности в пучке. 3. С помощью созданного YSGG:Cr:Er лазера с модуляцией добротности осуществлена оптическая накачка Fe2+:ZnSe лазера при плотности энергии 0.6 Дж/см^2. Достигнут дифференциальный к.п.д. генерации по поглощенной энергии порядка 30%. Полученные экспериментальные результаты по выходной энергии лазера в режиме свободной генерации (3-4 мДж) дали оценку на возможное значение энергии усиленного в многопроходовом режиме импульса. 4. Разработана схема компрессии лазерных импульсов среднего ИК диапазона (4-5мкм) в прозрачных диэлектрических кристаллах CaF2 (BaF2) с использованием процессов фазовой самомодуляции на Керровской нелинейности и аномальной дисперсии групповых скоростей. Компрессор фемтосекундного излучения среднего ИК диапазона с центральной длиной волны 4.5 мкм позволяет сократить длительность 200 фемтосекундного импульса (энергия 2мДж, мощность 9.4 GW, интенсивность 1.5 ТВТ/см^2) до величины 17 фс (практически один период световых колебаний) на оси пучка (r = 0,25 мм) и до 30 фс в приосевой области пучка (r = 0.74 мм), что приводит к увеличению выходной мощности в 2,5 раза. Проведенные расчеты показали необходимость учета начальной концентрации свободных носителей, которые могут присутствовать в кристалле. Продемонстрирована возможность масштабирования параметров компрессора для получения в области 4,5 мкм мультитераваттных мощностей с длительностью импульса меньше или порядка 2 периодов и выходной энергией порядка 200мДж, что позволит выйти при фокусировке на релятивистский уровень интенсивностей порядка 10^17Вт/см^2. | ||
| 2 | 1 марта 2015 г.-15 декабря 2015 г. | Разработка и создание фемтосекундной лазерной системы гигаваттного уровня мощности в среднем ИК диапазоне (4-5 мкм) на основе широкополосного усиления в кристалле Fe2+:ZnSe и схемы нелинейно-оптической компрессии |
| Результаты этапа: 1. Подобрана оптимальная концентрация двухвалентного железа в матрице цинка для эффективного энерговклада импульсного лазера накачки YSGG:Cr:Er в активный элемент Fe2+:ZnSe 2. Разработан, создан и полностью охарактеризован параметрический усилитель затравочных фемтосекундных импульсов в среднем ИК диапазоне 4-5 мкм 3. Разработан блок синхронизации импульсного лазера накачки YSGG:Cr:Er с модуляцией добротности с фемтосекундным параметрическим усилителем с точностью, необходимой для устойчивого режима усиления в Fe2+:ZnSe 4. Измерен коэффициент усиления импульса затравочного излучения (4-5мкм) сверхкороткой длительности на проход в кристалле Fe2+:ZnSe с оптической накачкой 5. Разработн узел стретчирования и компрессии в диапазоне 4-5мкм для схемы усиления и последующего сжатия усиливаемых чирпированных импульсов затравочного излучения | ||
| 3 | 15 марта 2016 г.-15 декабря 2016 г. | Разработка и создание фемтосекундной лазерной системы гигаваттного уровня мощности в среднем ИК диапазоне (4-5 мкм) на основе широкополосного усиления в кристалле Fe2+:ZnSe и схемы нелинейно-оптической компрессии |
| Результаты этапа: 1. Рассчитана и создана оригинальная оптическая схема стретчер-компрессора фемтосекундных лазерных импульсов среднего ИК диапазона (4.0 – 4.6 мкм) на основе дифракционной решётки (240 штр./мм, угол блеска 26.7 градуса, длина волны блеска 3.89 мкм). Стретчер (схема Оффнера) позволяет растягивать импульс до 220 пс, создавая тем самым добавку к спектральной фазе ~107 фс2, что делает возможным достижение миллиджоулевого уровня энергии без нелинейного искажения формы импульса за счёт фазовой самомодуляции. 2. Произведена оптимизация параметров созданных блоков фемтосекундной лазерной системы гигаваттной мощности среднего ИК диапазона, а именно блока генерации параметрической затравки в области 3.8-4.6 мкм и твердотельного 3 мкм лазера накачки. В результате оптимизации расходимости выходная энергия параметрического усилителя увеличилась более чем в 10 раз и составила 0.5% от накачки, что по абсолютной величине соответствует ~10 мкДж. Модификация схемы накачки многопроходового усилителя за счет замены лазера Cr:Er:YSGG (2,79 мкм) с модуляцией добротности на базе НВПО-затвора на лазер Cr:Yb:Ho:YSGG (2,85 мкм) с электрооптической модуляцией на основе кристаллов КТР позволила существенно уменьшить нестабильность синхронизации с фемтосекундным параметрическим генератором затравочного ИК излучения. Созданная система оптической накачки многопроходового усилителя кристалла Fe2+:ZnSe, состоящая из генератора и двух каскадов усиления, обеспечивает энергию до 40 мДж в импульсе длительностью 50 нс при сохранении пространственного качества моды излучения (TEMoo). 3. Впервые продемонстрировано эффективное усиление широкополосного (от 3.8 до 4.8 мкм) перестраиваемого излучения среднего ИК диапазона, генерируемого из параметрического усилителя на основе нелинейно-оптического кристалла AgGaS2, в халкогенидной активной среде Fe2+:ZnSe при оптической накачке твердотельным наносекундным лазером Cr:Yb:Ho:YSGG (30 мДж, 50 нс, 2.85 мкм) с плотностью энергии 0,6 Дж/см^2. Суммарное усиление для входной энергии инжекции 40 нДж было достигнуто на уровне 2000. Выходная энергия составила 80 мкДж для 200 фс импульса и была ограничена энергией насыщения для Fe2+:ZnSe для данного пучка инжекции. 4. Разработан новый подход к оптимизации выбора нелинейной среды, ее длины и необходимой интенсивности света для эффективного нелинейного самосжатия ультракороткого лазерного импульса. В результате численного моделирования распространения мощного среднего ИК фемтосекундного лазерного излучения (4-5 мкм, мДж уровня энергии, длительность импульса 200 фс) через нелинейную диэлектрическую среду было установлено, что сочетание нелинейности Керра и отрицательной дисперсии групповой скорости в ряде материалов (CaF2, BaF2, Al2O3, YAG и т.д.) приводит к самокопрессии лазерного импульса до одного, двух циклов поля по длительности. Показано, что модификация спектра 4 мкм излучения из-за поглощения в атмосферном CO2 в диапазоне 4,2-4,3 мкм не существенно влияет на режим самокопрессии. Показано, что разработанный компрессор позволяет масштабировать выходную мощность излучения до мультитераваттный мощности при длительности импульсов, соответствующих 1-2 циклам поля и выходной энергии около 200 мДж. Фокусировка такого импульса позволяет достичь в перетяжке лазерного излучения режим релятивистской интенсивности 10^17 Вт/см^2. 5. Проведены экспериментальные исследования лазерных характеристик кристалла Fe2+:CdSe. Для этого была собрана оптическая схема с использованием Er:YAG лазера накачки, работающего в режиме модулированной добротности. Получена энергия в наносекундном импульсе более 3 мДж при комнатной температуре. При этом дифференциальная эффективность генерации по поглощенной энергии составила величину ~27%. Получена перестроечная кривая линии генерации. Генерация наблюдалась в диапазоне 4.6 – 6.1 мкм. | ||
Прикрепленные к НИР результаты
Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".