Исследования и разработки в области оптики твердотельных лазеров с высокой пиковой мощностью излучения в ГОИ им. С.И. Вавилова

© 2009 г.    В. Е. Яшин, доктор физ.-мат. наук

Институт лазерной физики НПК "Государственный оптический институт им. С.И. Вавилова",  Санкт- Петербург

E-mail: vyashin@yandex.ru

Цель настоящей статьи - рассмотреть основные оптические проблемы создания  лазеров со сверхкороткой длительностью импульсов и высокой пиковой мощностью  излучения и дать обзор исследований по этому направлению в ГОИ. Основное внимание  уделяется фундаментальным эффектам, ограничивающим пиковую мощность, и рассматриваются методы их подавления. Одним из таких путей является переход к архитектуре  лазеров с компрессией импульса, позволяющей резко улучшить характеристики излучения по сравнению с лазерами, использующими прямое усиление коротких импульсов.  Это достигается за счет подавления нелинейных эффектов при усилении более длинных  лазерных импульсов. Рассмотрены основные нелинейные эффекты, ограничивающие  яркость излучения в твердотельных лазерах, и методы компрессии импульсов, используемые для создания нового класса лазеров. Подробно рассматривается роль ГОИ им.  С.И. Вавилова в исследованиях и разработках мощных лазерных систем.

УДК 681.7.069.24

Коды OCIS: 140.3480, 140.7090. 

Поступила в редакцию 16.12.2008.

ЛИТЕРАТУРА 

1.  Андреев А.А., Мак А.А., Яшин В.Е. Генерация и  применение сверхсильных лазерных полей //  Квант. электрон. 1997. Т. 24. С. 99-114. 

2.  Tajima T., Mourou G. Zettawatt-exawatt lasers and  their applications in ultrastrong-field physics //  Phys. Rev. ST Accel. Beams. 2002. V. 5. № 3.  P. 031301-1-031301-9. 

3.  Мак А.А., Сомс Л.Н., Фромзель В.А., Яшин В.Е.  Лазеры на неодимовом стекле. М.: Наука, 1990.  288 с.

 4.  Шашкин В.В., Яшин В.Е. Оптимизация формы  импульса в твердотельных лазерных усилителях  с учетом ограничений, накладываемых нелинейными эффектами // Изв. АН СССР. Сер. физ.  1991. Т. 55. С. 303-307. 

5.  Carr C.W., Trenholme J.B., Spaeth M.L. Effect of  temporal pulse shape on optical damage // Appl.  Phys. Lett. 2007. V. 90. P. 041110-1-3 

6. Stuart B., Feit M.D., Perry M.D., Rubenchik A.M.,  Shore B.W. Nanosecond-to-femtosecond laser- induced breakdown in dielectrics // Phys. Rev. B.  1996. V. 53. P. 1749-1761.

 7.  Баянов В.И., Мак А.А., Серебряков В.А., Яшин В.Е.  Исследование самофокусировки в лазерных усилителях на неодимовом стекле и ее подавления  с помощью пространственной фильтрации //  Квант. электрон. 1979. Т. 6. С. 902-910. 

8.  Ешмеметьева Е.В., Королев В.И., Меснянкин Е.П., Серебряков В.А., Шашкин В.В., Яшин В.Е.  О предельных энергетических параметрах излучения в лазерных системах на неодимовом стекле // Квант. электрон. 1992. Т. 19. С. 837-841. 

9.  Мак А.А., Любимов В.В., Серебряков В.А., Фромзель В.А., Яшин В.Е. Твердотельные лазеры с  высокой яркостью излучения // Изв. АН СССР.  Сер. физ. 1982. Т. 46. С. 1858-1871.

10. Maine P., Strickland D., Bado P., Pessot M., Mourou G. Generation of ultrahigh peak power pulses  by chirped pulse amplification // IEEE J. Quant.  Electron. 1988. V. 24. P. 398-403.

11. Власов С.Н., Таланов В.И. Самофокусировка  волн. Нижний Новгород: Институт прикладной  физики РАН, 1997. 217 с.

12. Карпухин С.Н., Яшин В.Е. Эффективное отражение излучения с обращением волнового фронта  при вынужденном комбинационном рассеянии в кристаллах // Письма в ЖТФ. 1983. Т.9.  С.1115-1120.

13. Горбунов В.А., Иванов В.Б., Паперный С.Б., Старцев В.Р. // Изв. АН СССР. Сер. физ. 1984. Т. 48.  С. 1580-1589.

14. Паперный С.Б., Старцев В.Р. // Опт. и спектр.  1984. Т. 56. С. 195-197.

15. Yashin V.E. High power laser for fusion with  pulse compression // Proc. SPIE. 1992. V. 1839.  P. 175-180.

16. Gorbunov V.A., Mak A.A., Papernyi S.B., Yashin V.E.  Some problems of lasers with SBS pulse compression application for inertial confinement fusion //  Proc. SPIE. 1997. V. 3047. P. 396-402.

17. Schiemann S., Ubachs W., Hogervorst W. Efficient  temporal compression of coherent nanosecond  pulses in acompact SBS generator-amplifier  setup // IEEE J. of Quant. Electron. 1997. V. 33.  P. 358-366.

18. Mak A.A., Papernyi S.B. // Technical digest of papers on CLEO'91. 1991. paper CWC6. 19.  Лаврентьев К.К., Сабиров Р.Л., Чижов С.А., Яшин В.Е. Импульсно-периодическая твердотельная лазерная система с ВРМБ-компрессией импульса // Опт. и спектр. 2000.Т. 89. С. 164-169.

20. Бузялис Р.Р., Дементьев А.С., Косенко Е.К., Мураускас Э.К. ВРМБ-компрессия импульсов ИАГ:Nd- лазера с коротким резонатором и измерение времени безызлучательной релаксации его нижнего рабочего уровня // Квант. электрон. 1995.  Т. 22. С. 567-570.

21. Pivinskii E.G., Akulinichev V.V., Gorbunov V.A.  Nd:YAG laser pulse compression by three-stage  stimulated Brillouin and Raman scatterings //  Proc. SPIE. 1997. V. 2986. P. 231-238

22. Иванов В.Б., Мак А.А., Паперный С.Б., Серебряков В.А. // Квант. электрон. 1986. Т. 13.  С. 857-860. 

23. Sartania S., Cheng Z., Lenzner M., Tempea G.,  Spielmann Ch., Krausz F., Ferencz K. Generation  of 0,1-TW 5-fs optical pulses at a 1-kHz repetition  rate // Opt. Lett. 1997. V. 22. P. 1562-1565. 

24. Martinez O.E. 3000 times grating compressor with  positive group velocity dispersion: Application to  fiber compensation in 1,3-1,6 μm region // IEEE  J. of Quant. Electron. 1987. V.23. P.59-64.

25. Cheriaux G., Rousseau P., Salin F., et al. Aberration- free stretcher design for ultrashort-pulse amplification // Opt. Lett. 1996. V. 21. P. 414-416.

26. Treacy E.B. Optical pulse compression with  diffraction gratings // IEEE J. Quant. Electron.  1969. V. 5. P. 454-458.

27. Spielmann C., Curley P.F., Brabec T., Krausz F.  Femtosecond solid-state lasers // IEEE J. Quant.  Electron. 1992.V. 28. P. 2097-2122.

28. Korf D., Kartner F.X., Weingarten K.J., Keller U.  All-in-one dispersion-compensating saturable  absorber mirror for compact femtosecond laser  sources // Opt. Lett. 1995. V. 21. P. 468-488.

 29. Van'kov A., Kozlov A., Chizhov S., Yashin V. 1-TW  Nd:glass laser system // Proc. SPIE. 1994. V. 2095.  P. 87-90. 

30.  Rouyer C., Mazataud E., Allais I., Pierre A., Seznec S., Sauteret C., Mourou G., Migus A. Generation  of 50-TW femtosecond pulses in a Ti:sapphire/ Nd:glass chain // Opt. Lett. 1993. V. 18. P. 214- 216.

31. Rouyer C., Blanchot N., Allais I., Mazataud E.,  Miquel J. L., Nail M., Pierre A., Sauteret C., Migus A. Production and characterization of intensities above 2×10 19  W/cm 2 , obtained with 30-TW  300-fs pulses generated in a Ti:sapphire/Nd- doped mixed-glass chain // JOSA B. 1996. V. 1.  P. 55-58.

 32. Gogoleva N.G., Gorbunov V.A.Modeling of chirped- pulse-amplification laser // Proc. SPIE. 1996.  V.2770. P.23-30.

33.  Barty C.P.J., Korn G., Raksi F., Rose-Petruck C.,  Squier J., Tien A.C.,Wilson K.R., Yakovlev V.V.,  Yamakawa K. Regenerative pulse shaping and  amplification of ultrabroadband optical pulses // Opt. Lett. 1996. V. 21. P. 219-221.

34. Perry M.D., Pennington D., Stuart B.C., Tiethbohl G., Britten J.A., Brown C., Hermann S., Golick B., Kartz M., Miller J., Powell H.T., Vergino M.,  Yanovsky V. Petawatt Laser Pulses // Opt. Lett.  1999. V. 24. P. 160-162.

 35. Герке Р.Р., Корешев С.Н., Семенов Г.В., Смирнов В.В. Голограммная оптика в "ГОИ им.  С.И. Вавилова" // Оптический журнал. 1994.  № 1. С. 26-39.

36. Loewen E., Maystre D., Popov E., Tsonev L. Diffraction efficiency of echelles working in extremely  high orders // Appl. Opt. 1995. V. 34. P. 1700- 1704.

37. Boyd R.D., Britten J.A., Decker D.E., Shore B.W.,  Stuar B.C., Perry M.D. High-efficiency metallic  diffraction gratings for laser applications // Appl.  Opt. 1995. V. 34. P. 1697-1706. 

38. Yashin V.E., Mak A.A., Bakh L., Yakovlev E., Gerke  R., Usupov I. Diffraction gratings for lasers with  pulse compression: comparative research //Proc.  SPIE. 1998. V. 3291. P. 199-201.  39.  Винокурова В.Д., Салль Е.Г, Чарухчев А.В., Яшин В.Д. Численное и экспериментальное исследования дифракционных решеток для компрессии мощных лазерных импульсов // Оптический журнал. 2005. Т. 72. № 11. С. 27-31.

40. Винокурова В.Д. Герке Р.Р. Дубровина Т.Г. Михайлов М.Д. Салль Е.Г. Чарухчев А.В., Яшин В.Е.  Металлизированные голографические дифракционные решетки с повышенной лучевой стойкостью для систем компрессии лазерных импульсов // Квант. электрон. 2005. Т. 35.С. 569-572.

41. Perry M.D., Boyd R.D., Britten J.A., Decker D.,  Shore B.W., Shannon C., Shults E. High-efficiency  multilayer dielectric diffraction gratings // Opt.  Lett. 1995. V. 20. P. 940-942.

 42. Свахин А.С., Сычугов В.А., Тихомиров А.Е.  Стойкие к оптическому излучению дифракционные решетки для использования в лазерных  резонаторах // Квант. электрон. 1994. Т. 21.  С. 250-252.

43.  Nisoli M., De Silvestri S., Svelto O., Szipocs R.,  Ferencz K., Spielmann Ch., Sartania S., Krausz F.  Compression of high-energy laser pulses below  5 fs // Opt. Lett. 1997. V. 22. P. 522-525. 

44. Мак А.А., Яшин В.Е. О возможности сжатия лазерных импульсов большой энергии в компрессоре на основе квазипериодической системы нелинейных элементов и диспергирующей среды //  Опт. и спектр. 1991. Т. 70. С. 3-5.

45. Yashin V.E., Vankov A.B., Kozlov A.A., Chizhov S.A.,  Andreev A.A., Sutyagin A.N. Compression of high- energy laser pulses after self-phase modulation  in a bulk nonlinear medium // Proc. SPIE. 1997.  V. 3047. P. 1027-1032.

46. Алексеев В.Н., Бордачев Е.Г., Бородин В.Г. и др.  Шестиканальная лазерная установка "Прогресс"  на фосфатном неодимовом стекле // Изв. АН  СССР. Cер. физ. 1984. Т. 48. С. 1477-1484.

47. Мустаев К.Ш., Серебряков В.А., Яшин В.Е. Подавление мелкомасштабной самофокусировки  в усилителях на неодимовом стекле с помощь  оптических ретрансляторов // Письма в ЖТФ.  1980. Т. 6. С. 856-859.

48. Власов С.Н., Крыжановский В.И., Яшин В.Е. Использование световых пучков с круговой поляризацией для подавления самофокусировочной  неустойчивости в нелинейной кубичной среде с  ретрансляторами // Квант. электрон. 1982. Т. 9.  С. 14-20. 49. Крыжановский В.И., Седов Б.М., Серебряков В.А.,  Цветков А.Д., Яшин В.Е. Формирование пространственной структуры излучения в твердо- тельных лазерных системах аподизирующими  и "жесткими" апертурами // Квант. электрон.  1983. Т. 10. С. 354-359.

 50.  Баянов В.И., Бордачев Е.Г., Волынкин В.М.,  Крыжановский В. И., Мак А.А., Моторин И.В.,  Никонова М.В., Серебряков В.А., Стариков А.Д,  Чарухчев А.В., Щавелев О.С., Яшин В.Е. Стержневые усилители большой апертуры на фосфатном неодимовом стекле для лазеров с высокой  яркостью излучения // Квант. электрон. 1986.  Т. 13. В. 9. С. 1891-1896.

51. Любимов В.В., Мак А.А., Яшин В.Е. Некоторые  проблемы использования обращения волнового  фронта в лазерных системах // Изв. АН СССР.  Сер. физ. 1987. Т. 51. C. 330-339.

52. Мак А.А., Малинин Б.Г., Яшин В.Е. Некоторые  проблемы применения обращения волнового  фронта в твердотельных лазерных системах // Изв. АН СССР. Сер. физ. 1990. Т. 54. C. 1026- 1035. 

53. Ваньков А.Б., Козлов А.А., Чижов С.А., Яшин В.Е.  Повышение контраста ультракоротких лазерных импульсов с помощью электрооптического  дефлектора // Квант. электрон. 1995. Т. 22.  С. 583-585.

54. Мак А.А., Яшин В.Е. Оптика мощных твердотельных лазеров: проблемы реализации предельных  возможностей // Оптический журнал. 1998.  Т. 65. № 12. С. 39-51.

55. Андреев А.А., Чарухчев А.В., Яшин В.Е. Генерация и применения мультитераваттных лазерных  импульсов // Труды ГОИ. 2000. Т. 84. В. 218.  С. 21-39.

56. Бородин В.Г., Комаров В.М., Малинов В.А., Мигель В.М., Никитин Н.В., Попов В.С, Потапов С.Л., Чарухчев А.В., Чернов В.Н. Лазерная  установка "Прогресс-П" с усилением чирпированного импульса в неодимовом стекле // Квант.  электрон. 1999. T. 29. P. 101-105.

57. Бабин А.А., Киселев А.М., Сергеев А.М., Степанов А.Н. Тераваттный фемтосекундный титан-  сапфировый лазерный комплекс // Квант.  электрон. 2001. Т. 31. С. 623-626.

58. Lozhkarev V.V., Friedman G.I., Ginzburg V.N., Katin E.V., Khazanov E.A., Kirsanov A.V., Luchinin G.A., Malshakov A.N., Martyanov M.A., Palashov O.V., Poteomkin A.K., Sergeev A.M., Shaykin  A.A., Yakovlev I.V., Garanin S.G., Sukharev S.A.,  Rukavishnikov N.N., Charukhchev A.V., Gerke R.R.,  Yashin V.E. 200 TW 45 fs laser based on optical  parametric chirped pulse amplification // Opt. Exp. 2006. V. 14. P. 446-454.

59. Bahk S.-W., Rousseau P., Planchon T., Chvykov V.,  Kalintchenko G., Maksimchuk A., Mourou G.,  Yanovsky V. The generation and characterization  of the highest laser intensity (10²²  W/cm² ) // Opt.  Lett. 2004. V. 29. P. 2837-2839.

60. Aoyama M., Yamakawa K., Akahane Y., Ma J., Inoue N., Ueda H., Kiriyama H. 0,85-PW, 33-fs  Ti:sapphire laser // Opt. Lett. 2003. V. 28.  P. 1594-1596.

61.  Ple F., Pittman M., Jamelot G., Chambaret J.-P.  Design and demonstration of a high-energy booster amplifier for a high-repetition rate petawatt  class laser system // Opt. Lett. 2007. V. 32.  P. 238-240. 

62. Blanchot N, Bignon., E., Co¿c H., et al. Multi- Petawatt High Energy Laser Project on the LIL  Facility in Aquitaine // Proc. SPIE. 2005. V. 5975.  P. 30-35.

63. Kitagawa Y., Fujita H., Kodama R. et al. Prepulse- free petawatt laser for a fast ignitor // IEEE J.  Quantum Electron. 2004. V. 40. P. 281-293.

64. Blanchot N., Marre G., Ne′auport J., Sibe′  E., Rouyer C., Montant S., Cotel A., Le Blanc C., Sauteret C.  Synthetic aperture compression scheme for Multi- Petawatt High Energy laser // Appl. Opt. 2006.  V.45. P. 6013-6021.

65. Maywar D. N., Kelly J. H., Waxer L. J. et.al. OMEGA  EP high-energy petawatt laser: Progress and  prospects. // J. of Physics: Conference Series 2008.  V. 112 . P. 032007.

66. Потемкин А.К., Катин Е.В., Кирсанов А.В., Лучинин Г.А., Мальшаков А.Н., Мартьянов М.А.,  Матвеев А.З., Палашов О.В., Хазанов Е.А., Шайкин А.А. Компактный лазер на фосфатном стекле  с неодимом с энергией 100 Дж и мощностью 100  ГВт для накачки параметрического усилителя  чирпированных импульсов // Квант. электрон.    2005. V. 35. P. 302-310.

67. HIPER: Technical Background and Conceptual  Design Report 2007. http:/ /www.hiper-laser. org/

68. Krupke W. Ytterbium Solid-state Lasers-the First  Decade // IEEE J. Sel. Top. Quant. Electron. 2000.  V. 6. P. 1287-1296.

69. Jovanic C., Brown G., Stuart B.C., Molander W.A.,  Nielsen N.D., Wattellier B.F., Britten J.A., Pennignton D.M., Barty C.P. Precision damage tests of  multilayer dielectric grating for high energy PW  lasers // Proc. SPIE. 2004. V. 5647, 34-39.

Полный текст  >>>>