Параметрическое усиление фемтосекундных импульсов

УДК 535.2
В.В. Миславский1, Л.Д. Михеев1, R. Clady2, G. Coustillier2, M. Gastaud2, M. Sentis2,
P. Spiga2, V. Tcheremiskine1,2, O. Uteza2, J.P. Chambaret3, G. Cheriaux3
1
Физический институт им. П.Н.Лебедева
Laboratoire Lasers, Plasmas et Prosedes Photoniques (LP3), UMR 6182 CNRS, Universite
de la Mediterranee, C. 917, Avenue de Luminy, 13288 Marseille cedex 9, France
3
Laboratoire d’Optique Appliquee (LOA), UMR 7639 CNRS – Ensta – Ecole Polytechnique,
Chemin de la Huniere, 91761 Palaiseau cedex, France
2
О ПАРАМЕТРИЧЕСКОМ УСИЛЕНИИИ ФЕМТОСЕКУНДНЫХ ИМПУЛЬСОВ
Ti:Sa ЛАЗЕРА
В последние годы происходит бурное развитие фемтосекундных технологий.
Тераваттные и петоваттные комплексы становятся привычным инструментом
исследователей. Кроме того, обсуждаются проекты экзаваттного фемтосекундного
комплекса.
С развитием и увеличением областей применения таких систем к самим
комплексам и параметрам их излучения начинают предъявляться новые требования.
Исследователям уже недостаточно только короткой длительности и огромной энергии
пучка, требуется качество самого пучка: гауссовский профиль, высокий контраст и
многое другое.
Основная масса комплексов базируется на Ti:Sa задающем осцилляторе и
последующем усилении его излучения. Существуют альтернативные системы, где
используются осцилляторы, работающие на других активных средах, таких как
Cr:форстерит, Cr:LiSAF и т.д [1].
В настоящей работе рассматривается комплекс, разрабатываемый в лаборатории
LP3 (Франция) [2]. Задающим генератором служит осциллятор на основе кристалла
Ti:Sa, характеризующийся широкой спектральной полосой – 400 нм (центральная
полоса излучения – 780 нм), керровской нелинейностью, сечением лазерного перехода
3 10-19 см2 и временем жизни 3 мкс. Источником накачки для этого осциллятора служит
либо Ar+-лазер (530нм), либо лазер на второй гармоникe Nd:YAG (532 нм). Мощность
этих непрерывных лазеров должна быть не менее 6 Вт при хорошей стабильности
самого пучка, т.к. генерация осциллятора должна происходить на длине волны 950 нм.
Выбор такой длины волны связан с тем, что последний каскад усиления будет
реализован на C-A переходе молекулы XeF. Средняя мощность фемтосекундного
импульса 100-200 мВт, длительность 50фс. Кроме того, излучение характеризуется
временным контрастом, определяемым как отношение максимума интенсивности
основного импульса к интенсивности шума который задается величиной пьедестала
усиленного спонтанного излучения (amplified spontaneous emission ASE) и величиной
предымпульса приходящего по времени раньше, чем основной C=Iимп/IASE,предимп. Для
Ti:Sa контраст в среднем равен 105-106.
Для повышения мощности требуется усиливать фемтосекундное излучение, при
этом возникают ограничения по плотности энергии в импульсе, связанные с
электропрочностью сред через которые распространяется импульс. Эту проблему
решают увеличением диаметра пучка и его длительности – за счет сред с линейной
дисперсией, что уменьшает плотность энергии. Так как длина волны равна 950 нм и
лежит на краю полосы усиления Ti:Sa, то более эффективным будет не регенеративное,
а оптическое параметрическое усиление чирпированных импульсов (OPCPA).
Моделирование показало, что наиболее эффективное параметрическое преобразование
возможно в кристалле BBO. Экспериментальное исследование кристалла BBO
позволило измерить пороговую плотность энергии для разрушения этого кристалла
(без защитного покрытия), равную 90 Дж/см2. Кристаллы с диэлектрическим защитным
покрытием имеют меньшую поверхностную прочность, порядка 10 Дж/см2. В
рассматриваемом комплексе реализуется многопроходная схема усиления. По
расчетам, данный каскад после удвоения частоты должен генерировать излучение
интенсивностью 30 ГВт/см2. Это излучение, с длинной волны 475 нм, направляется в
последний каскад, реализованный на C-A переходе молекулы XeF. На выходе
предполагается получить излучение порядка нескольких ТВт/см2 с контрастом 1010.
Предварительные результаты усиления в такой среде были получены для слабого
сигнала [3].
Литература
1. Крюков П.Г. // Квантовая электроника 31, 2 (2001).
2. Clady R., Coustillier G., Gastaud M., Sentis M., Spiga P., Tcheremiskine V.,
Uteza O., Mikheev L.D., Mislavskii V.V., Chambaret J.P., Cheriaux G. // Appl. Phys.
B 82, 347-358 (2006).
3. Mikheev L.D., Levtchenko K.G., Mamaev S.B., Mislavskii V.V., Moskalev T.Yu., Sentis
M.L., Shirokikh A.P., Tcheremiskine V.I., Yalovoi V.I. // High-Power Laser Ablation
V, edited by Claude Phipps R., Proceedings of SPIE, Vol. 5448, p. 384 (SPIE,
Bellingham, WA, 2004).