ПРИНЦИПЫ ЛАЗЕРОВ

ПРИМЕРЫ ЛАЗЕРНЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ: УСИЛЕНИЕ С ЛИНЕЙНОЙ ЧАСТОТНОЙ МОДУЛЯЦИЕЙ

Одним из наиболее важных и весьма впечатляющих примеров усиления лазерного импульса является усилитель на стекле с неодимом, применяю­щийся для получения импульсов очень большой энергии (10-100 КДж) в установках по изучению лазерного термоядерного синтеза [8]. Самые мощ­ные лазерные системы на стекле с неодимом построены и работают в ряде лабораторий, расположенных по всему миру. Самая мощная из них (так на­зываемый ЫОУА-лазер) собрана в Ливерморовской национальной лаборато­рии им. Лоренца в США. Большинство из этих лазерных систем на стекле с неодимом используют усилительные структуры типа МОРА (усилитель мощ­ности с задающим генератором). Такие усилители состоят из задающего оп­тического генератора, который генерирует лазерный импульс с низкой энер­гией, поступающий затем на ряд усилителей мощности, которые, в свою оче­редь, усиливают этот импульс. Ограничивающая входная апертура этих усилителей увеличивается по мере прохождения каждого последующего кас­када, чтобы предотвратить их разрушение от увеличения энергии пучка. Схематическое изображение одного из десяти усилительных модулей ЫОУА - лазера дано на рис. 12.3. Предварительные усилители в каждом таком плече состоят из стержней, выполненных из фосфатного стекла, длина которых составляет 380 мм, диаметр 25 мм для первых усилителей и 50 мм — для последних. Конечный каскад усиления выполнен из дисков с накачкой че­рез входные торцы (см. рис. 6.36), имеющих достаточно большую ограничи­вающую апертуру (10 см для первых усилителей и 20 см для последнего). На рис. 12.3 также изображены фарадеевские ротаторы (см. также рис. 7.23),

Предотвращающие распространение обратно-отраженного излучения в цепи усилителей и, таким образом, позволяющие избежать оптического поврежде­ния входных усилителей. На рисунке также представлены пространственные фильтры, состоящие из двух линз, установленных по конфокальной схеме (см. также рис. 11.10), и диафрагмы, расположенной в плоскости их общего фокуса. Эти фильтры имеют двойное назначение: во-первых, они выравнива­ют небольшие неравномерности в пространственном распределении лазерного пучка и, во-вторых, они согласовывают апертуры двух последующих усилите­лей. Лазерная система, изображенная на рис. 12.3, позволяет получить на вы­ходе энергию излучения порядка 10 кДж в импульсе длительностью до 1 не. При этом вся установка NOVA-лазер, состоящая из десяти рассмотренных уси­лительных систем, позволяет получить на выходе энергию излучения поряд­ка 100 кДж. Лазерные установки, использующие подобные усилительные кас­кады и позволяющие получать на выходе энергию излучения порядка 1 МДж, построены в настоящий момент в США (Национальная установка по термо­ядерному синтезу, проект «NIF», г. Ливермор) и во Франции (мегаджоуль - ный лазер, проект «Megajoule», г. Лимейл) (см. также раздел 9.2.2.2.).

Второй класс лазерных усилителей, который является по настоящему революционным в области лазерной физики (в плане интенсивности фокуси­руемого пучка), основан на механизме усиления с частотной модуляцией [9] лазерных импульсов пикосекундной и фемтосекундной длительности (так называемая чирп-модуляция, или модуляция со смещением частоты). Дей­ствительно, при таких коротких световых импульсах максимальная энер­гия, которая может быть выделена из усилителя, ограничена либо эффекта­ми самофокусировки (связанными с максимальной мощностью пучка), либо многофотонной ионизацией (связанной с максимальной интенсивностью пуч­ка). Для преодоления этих ограничений можно применить подход, который используется в радиолокационных установках, а именно: расширение им­пульса (во времени) до его усиления, с последующим после усиления сжати­ем импульса до его первоначальной формы. В этом случае максимальная мощ­ность и, следовательно, максимальная интенсивность лазерного импульса непосредственно в каскаде усилителя может быть уменьшена на несколько порядков величины (в 103-104 раз). Это позволяет увеличить максимальную энергию излучения на выходе усилителя без оптического разрушения по­следнего. Расширение импульса осуществляется с помощью соответствую­щей оптической системы, использующей, например, положительную дис­персию групповой задержки (ДГЗ). В этом случае лазерный импульс может быть значительно расширен во времени при соответствующем положитель­ном смещении частоты (см. раздел 12.5.2 и приложение Ж). Усиленный ла­зерный импульс затем пропускается через оптическую систему, имеющую отрицательную дисперсию групповой задержки (см. раздел 12.5.1), в резуль­тате чего компенсируется частотное смещение, возникшее при прохожде­нии импульса через первый дисперсионный элемент, и, таким образом, фор­ма импульса, прошедшего через весь усилитель, сохраняется.

На рис. 12.4 приведена распространенная схема усилителя на сапфире с титаном, в которой используется технология усиления с частотной модуля-

ШгУИР лазер с модуляцией добротности

Рис. 12.4

Усиление фемтосекундных лазерных импульсов с помощью регенеративного усилителя на титан-сапфире с использованием технологии усиления с линейной частотной модуляцией

Цией. На этом рисунке изображены три поляризатора Ри Р2 и Р3, которые пропускают свет, поляризованный в плоскости рисунка (горизонтально-по­ляризованный свет), и отражают свет, поляризованный в плоскости, пер­пендикулярной плоскости рисунка (вертикально-поляризованный свет). Комбинация полуволновых пластинок и фарадеевского ротатора позволяет пропускать свет (без вращения плоскости поляризации), распространяющий­ся справа налево; при этом плоскость поляризации пучка, распространяю­щегося слева направо, поворачивается на 90° (см. рис. 7.24). Серия горизон­тально-поляризованных фемтосекундных лазерных импульсов (с энергией около 1 нДж и частотой повторения f = 80 МГц) от лазера на сапфире с тита­ном, работающего в режиме синхронизации мод, посылается на усилитель­ную систему с частотной модуляцией. Эти импульсы проходят через поля­ризатор Р2 и комбинацию из полуволновой пластинки и фарадеевского ро­татора, не претерпевая при этом поворота плоскости поляризации. Далее импульсы проходят через поляризатор Рх и, таким образом, попадают в сис - тему расширения импульсов (схема которой будет описана в разделе 12.5.2.). Как правило, коэффициент расширения импульсов, прошедших через та­кую систему, составляет около 5000, например со 100 фс до 500 пс. Расши­ренные импульсы затем проходят через поляризатор Ри попадают на комби­нацию из полуволновой пластинки и фарадеевского ротатора (в результате чего их плоскость поляризации поворачивается на 90°) и отражаются поля­ризатором Р2. С помощью поляризатора Р3 расширенные импульсы вводят­ся в так называемый регенеративный усилитель, который состоит из собст­венно усилителя на сапфире с титаном и ячейки Поккельса, установленных в петлеобразном трехзеркальном резонаторе (зеркала М19 М2 и М3). Ячейка

Поккельса настроена на статическую четвертьволновую задержу. В этом слу­чае до момента прихода лазерных импульсов добротность резонатора оказы­вается очень низкой и, следовательно, регенеративный усилитель работает в допороговом режиме. В такой ситуации любой поступающий лазерный им­пульс после двух проходов через ячейку Поккельса становится горизонталь­но-поляризованным, и, таким образом, он пропускается поляризатором Р3 в направлении усилителя на сапфире с титаном. После возврата из усилителя лазерный импульс проходит через поляризатор Р3 и затем вновь дважды про­ходит через ячейку Поккельса, в результате чего он становится вертикаль­но-поляризованным, претерпевает отражение на поляризаторе Р3 и выводит­ся из резонатора. В такой конфигурации при прохождении через усилитель лазерный импульс практически не усиливается. Однако если в момент вре­мени, когда лазерный импульс находится между поляризатором и зерка­лом Мх, приложить четвертьволновое напряжение к ячейке Поккельса, то эта ячейка начнет работать как полуволновая пластинка и плоскость поля­ризации лазерного импульса останется неизменной после каждого двукрат­ного прохождения через ячейку. Следовательно, такой импульс, проходя через активную среду усилителя, будет усиливаться. После определенного числа таких двукратных проходов через резонатор (как правило, 15-20) энер­гия в импульсе достигает максимального значения и излучение выводится из резонатора за счет приложения дополнительного четвертьволнового на­пряжения к ячейке Поккельса. Действительно, в этом случае после двойно­го прохода через ячейку лазерный импульс становится вертикально-поляри­зованным и отражается поляризатором Р3 обратно в направлении входящих импульсов. Затем этот вертикально-поляризованный импульс высокой энер­гии отражается поляризатором Р2> проходит через полуволновую пластинку и фарадеевский ротатор (без поворота плоскости поляризации) и отражается поляризатором Рг в направлении системы сжатия импульсов (схема которой будет рассмотрена в разделе 12.5.1). После сжатия пучок состоит из последо­вательности импульсов высокой энергии, длительность каждого из которых соответствует первоначальным импульсам лазера, и частота повторения ко­торых совпадает с частотой повторения импульсов накачки в усилителе на титан-сапфире (обычно 1-10 кГц, накачка зеленым излучением второй гар­моники от Кс1:УЬЕ лазера, работающего в режиме модуляции добротности).

Системы такого типа, использующие технологию усиления с частотной мо­дуляцией, позволяют разрабатывать лазеры сверхвысокой мощности [10]. На­пример, в настоящее время уже реально продемонстрированы настольные ла­зерные установки на сапфире с титаном, использующие усиление с частотной модуляцией и позволяющие получать на выходе излучение с пиковой мощно­стью порядка 20 ТВт. Помимо этого в стадии разработки и создания находятся установки, выходная пиковая мощность которых может достигать порядка 100 ТВт (например, энергия 2 Дж в импульсе длительностью 20 фс). Самая мак­симальная пиковая мощность, которая была достигнута при использовании технологии усиления с частотной модуляцией, составляет около 1,25 ПВт (1 ПВт = 1015 Вт) [11], при этом были использованы усилительные каскады, взя­тые из самой мощной лазерной установки ЫОУА-л&зер (чтобы получить уси­ленные лазерные импульсы с энергией около 580 Дж и длительностью 460 фс). Максимальная интенсивность, которую удалось получить при фокусировке импульсов света сверхвысокой мощности, является чрезвычайно высокой (Ю19-1020 Вт/см2), что на четыре-пять порядков величины превышает интен­сивности, полученные до открытия технологии усиления с частотной модуля­цией. Когда пучок сверхвысокой интенсивности взаимодействует с твердотель­ной мишенью или газом, в результате этого взаимодействия образуется сильно - ионизированная плазма, что приводит к возникновению абсолютно нового класса нелинейных явлений. Сфера применения таких высоких интенсивно­стей покрывает широкую область науки и техники, включая сверхбыстрые источники рентгеновского излучения и электронов высоких энергий, а также новейшие концепции термоядерного синтеза и плазменной астрофизики [12].

Третий класс усилителей, которые широко используются в системах оп­тической волоконной связи, включает в себя волоконные лазерные усилите­ли, легированные эрбием (Ег) [13]. В таких усилителях обычно использует­ся накачка полупроводниковыми лазерами. При этом возбуждение осущест­вляется через основные полосы поглощения иона Ег+ (980 нм или 1480 нм) (см. рис. 9.4). Для усиления используются лазерные импульсы с длиной вол­ны излучения, соответствующей так называемому третьему окну прозрачно­сти оптоволокна из кварца (к= 1550 нм). Поскольку, как правило, частота повторения импульсов в системах оптической связи оказывается очень боль­шой (порядка ГГц), а время жизни верхнего состояния иона Ег+ является существенным (~10 мс, см. табл. 9.4), насыщение населенности в этом слу­чае определяется совокупным действием многих лазерных импульсов, т. е. средней интенсивностью пучка. Таким образом, рассмотрение модели скоро­стных уравнений может иметь место и в этом случае, если принимать во внимание среднюю интенсивность пучка. Однако здесь могут возникать не­которые сложности, обусловленные несколькими факторами, которые необ­ходимо принимать во внимание, а именно:

1. Эрбиевый усилитель работает практически по трехуровневой схеме (см. раздел 9.2.4), и, следовательно, его эффективные сечения вынужденного из­лучения и поглощения определяют весьма широкие спектральные области переходов.

2. Поперечные профили распределения населенности и интенсивности могут значительно изменяться при прохождении моды по волокну.

3. Возможно появление шумов как в продольном, так и в поперечном направлениях, что обусловлено возникновением усиленного спонтанного излучения (УСИ).

Более детальное рассмотрение этой проблемы приводится в работе [14]. Здесь же следует отметить, что в таких усилителях было получено очень высокое усиление (~50 дБ) в режиме слабого сигнала при достаточно боль­шой выходной мощности насыщения (около 100 мВт) и относительно не­больших уровнях шумов. Таким образом, волоконные лазерные усилители, легированные эрбием, следует рассматривать как значимый прорыв в облас­ти волоконной оптической связи, использующей как системы дальней свя­зи, так и распределительные сети.