Аннотация результатов, полученных в 2018 году
Разработаны и собраны схемы для исследования активных сред иттербиевых лазеров. Измерены спектры сечения усиления, поглощения, времена жизни, и величины необратимых потерь в оптических средах, легированных ионами иттербия. Сечение усиления Yb:LuAG составило 2.5*10^-20 см2, Yb:CaF2 – 0,3*10^-20 см2, Yb:Y2O3 – 2*10^-20 см2, кварцевого стекла – 0.75*10^-20 см2, теллуритного стекла – 0,25*10^-20 см2. Время жизни Yb:LuAG составило 0.8 мс, Yb:CaF2 – 1.9 мс, Yb:Y2O3 – 0.8 мс, кварцевого стекла – 0.6 мс, теллуритного стекла – 0.5 мс. Найдены среды, превосходящие широко используемый алюмоиттриевый гранат по ширине пика вблизи 1030 нм. Это даёт им преимущество при работе в импульсном режиме, при этом данные среды имеют потери, сравнимые с Yb:YAG, и хорошо поглощают накачку на 930-940 нм. Измерена эффективность генерации дискового лазера на керамике Yb:YAG и получена эффективность 26% [I. Snetkov, O. Palashov, V. Osipov, I. Mukhin, R. Maksimov, V. Shitov, K. Luk'yashin. "Continuous-wave 80-W lasing in Yb: YAG ceramics." Quantum Electronics 48, 8 p. 683 (2018) http://iopscience.iop.org/article/10.1070/QEL16727/meta]. Построена численная модель расчета тепловых и лазерных процессов в усилителях на основе активных элементов различных геометрий из различных иттербиевых активных сред. С использованием численной модели проведен расчет и оптимизация работы двухкаскадной усилительной системы на тонких Yb:YAG стержнях для фемносекундного задающего генератора на Yb:KYW [B. Lee, S. A. Chizhov, E. G. Sall, J. W. Kim, I. I. Kuznetsov, I. B. Mukhin, O. V. Palashov, G. H. Kim, V. E. Yashin, and O. L. Vadimova, "Laser amplification in Yb:YAG thin rods of different geometries: simulation and experiment," J. Opt. Soc. Am. B 35, 2594-2599 (2018) https://www.osapublishing.org/josab/abstract.cfm?uri=josab-35-10-2594]. Предложен принцип варьирования параметров усилителей с тонкостержневыми активными элементами для достижения эффективного усиления при различных уровнях выходной мощности. Показано, что термонаведенные фазовые искажения меньше влияют на размер пучка в коническом активном элементе, чем в тонкостержневом. При мощности накачки 400 Вт на длине волны 940 нм размер пучка уменьшился только на 20%, что можно считать приемлемым для эффективной работы системы. Исследовано усиления оптического сигнала в тонкостержневых усилителях на основе различных иттербиевых сред (Yb:YLF, керамика Yb:Y2O3, Yb:CaF2, Yb:KGW, Yb:CALGO) показало, что широкополосные иттербиевые среды обладают значительно меньшим коэффициентом усиления, чем Yb:YAG. Наилучший результат после Yb:YAG показал Yb:YLF, однако его центральная длина волны усиления составляет 1019 нм, что не позволяет использовать его в одной системе с Yb:YAG, у которого она равна 1030 нм. Показано, что выводы, сделанные для тонких стержней и тонких конических стержней справедливы также для тонких слэбов и для тонких клиновидных слэбов. Теоретическое показано, что в композитных Yb:YAG/YAG активных элементах мелкомасштабные неоднородности пучка накачки и коэффициента теплопередачи на границе с радиатором приводят к значительным фазовым аберрациям. Перспективным решением данной проблемы является использование композитов из разнородных материалов, где в качестве нелегированной части применяется высокотеплопроводный оптический материал, как сапфир, карбид кремния или алмаз. Разработаны и усовершенствованы технологии шлифовки, полировки и монтажа тонких активных элементов, позволяющие улучшить их лазерные характеристики. Выполнены исследования влияния качества полировки боковой поверхности тонкостержневых активных элементов на эффективность волноводного распространения излучения накачки. Показано, что повышение качества полировки позволяет значительно уменьшить величину потерь излучения накачки при ее волноводном распространении. В результате, повышается эффективность поглощения накачки, увеличивается усиление слабого сигнала в тонкостержневых активных элементах. Усовершенствована технология монтажа тонкодискового активного элемента из Yb:YAG на высокотеплопроводные теплоотводы из карборунда и поликристаллического алмаза. Выполненные измерения показали, что использование ультратонкого слоя полимерного клея вместо монтажа через индиевый припой позволяет обеспечить высокую однородность теплового контакта при малой величине теплового сопротивления между активным элементом и высокотеплопроводным теплоотводом. Разработана и реализована задающая система, состоящая из волоконного иттербиевого лазера со средней мощностью 3 Вт, длительностью импульсов 300 фс, шириной спектра 8 нм и частотой следования импульсов 3 МГц; электрооптического затвора, понижающего частоту следования до 11.5 кГц и четырехпроходного усилителя на тонком стержне из Yb:YAG, осуществляющего одновременное стретчирование импульсов. На выходе задающей системы получено излучение со средней мощностью 2.8 Вт, что соответствует энергии импульсов около 250 мкДж [I. Kuznetsov, I. Mukhin, O. Palashov, and K.-I. Ueda, "Thin-rod Yb:YAG amplifiers for high average and peak power lasers," Opt. Lett. 43, 3941-3944 (2018) https://www.osapublishing.org/ol/abstract.cfm?uri=ol-43-16-3941]. Разработаны и реализованы две системы формирования стека с большими временными интервалами между импульсами. Первая - на основе поляризационного разделения импульсов на несколько реплик и пропускании различных реплик через интерференционные линии задержки различной длины. Вторая - на основе схемы регенеративного усиления импульса, в которой часть энергии импульса выводится из усилителя на каждом обходе. С использованием обеих схем реализовано разделение импульса на 8 реплик с временными интервалами 3 нс. Разработаны две оптических схемы сближения сверхкоротких лазерных импульсов на сверхкороткие временные интервалы. Первая схема основана на накоплении последовательности импульсов во внешнем резонаторе, время полного обхода которого немного отличается от исходного временного интервала между импульсами [Кузнецов И.И., Заявка на Патент РФ № 2018143847, «Способ увеличения частоты следования ультракоротких высокомощных лазерных импульсов в ограниченной последовательности». Приоритет от 11.12.2018]. Применение данной схемы дает возможность усиливать последовательность импульсов вместо одиночного импульса, что позволяет избежать возникновения нелинейных эффектов и эффекта оптического пробоя в усилителях и извлекать большую энергию из усилительного канала. Вторая схема позволяет сближать импульсы от различных лазерных каналов и основана на их сложении в один канал за счет неколлинеарной генерации второй гармоники в нелинейном кристалле. Продемонстрировано сближение двух импульсов на временной интервал менее 10 пс. Были исследованы спектральные, магнитооптические и термооптические характеристики магнитоактивного кристалла тербийсодержащего фианита TCZ. Кристалл относится к кубической сингонии, а его кристаллическая решетка имеет структуру типа флюорита. Согласно проведенным измерениям, его спектр пропускания типичен для тербий содержащих магнитоактивных сред, а коэффициент поглощения на длине волны 1075 нм относительно мал и составляет α ≈ 3×10-3 см-1. Значение постоянной Верде кристалла TCZ для излучения с длиной волны 1075 нм на 31% превосходит соответствующее значение для кристалла TGG. В работе для измерения параметра оптической анизотропии впервые был использован образец кристалла с ориентацией, отличной от [001]. Для этого был применен разработанный ранее метод. Согласно измерениям, параметр оптической анизотропии кристалла TCZ отрицателен и составляет ξ = -0.29 ± 0.02. Отрицательная величина ξ означает, что имеется выделенная ориентация кристаллографических осей элемента [[C]], при которой оси термонаведенного двулучепреломления выстраиваются в одном направлении вне зависимости от точки поперечного сечения оптического элемента, в результате чего появляется возможность полностью избавиться от термонаведенной деполяризации [E. A. Mironov and O. V. Palashov, "Spectral, magneto-optical and thermo-optical properties of terbium containing cubic zirconia crystal", Appl. Phys. Lett. 113, 063504 (2018) https://aip.scitation.org/doi/10.1063/1.5041248]. Величина магнитооптической добротности кристалла TCZ также была измерена и для длины волны излучения λ = 1075 нм и составляет μ = 8.7×106 рад∙Вт/(T∙м). Был проведен расчет компактных магнитных систем для изоляторов Фарадея на базе кристаллов TCZ с использованием постоянных магнитов на основе сплава Nd-Fe-B и магнитомягких марок стали. Максимальная величина напряженности поля магнитной системы в центре составила 25 кЭ. При использовании такой магнитной системы максимально допустимая рабочая мощность изоляторов Фарадея на базе кристаллов TCZ, вырезанных в [[C]] ориентации, составит более 100 Вт в случае использования одного магнитооптического элемента и более 200 Вт в случае использования схем компенсации термонаведеннной деполяризации. Предложена новая схема изолятора Фарадея с компенсацией термонаведенной деполяризации методом противовращения магнитооптических элементов. Получены аналитические выражения для степени изоляции фарадеевского устройства в случае использования произвольно кубического монокристалла и произвольного фарадеевского вращения. Определен угол противовращения и показано, что частичная компенсация термонаведенной деполяризации возможна только при использовании материалов, у которых параметр оптической анизотропии попадает в диапазон ξ<ξ* и ξ>ξ**, где величины ξ* и ξ** определяются величиной фарадеевского вращения в магнитооптических элементах. Данная схема всегда работает для материалов с ξ<0. Реализованы традиционный изолятор Фарадея и изолятор Фарадея с компенсацией термонаведенной деполяризации методом противовращения на основе монокристалла TSAG с ориентацией [001]. Устройства продемонстрировали при максимальной мощности непрерывного лазерного излучения 1440 Вт стабильную степень изоляции более 35 дБ [A. V. Starobor, I. L. Snetkov, and O. V. Palashov, "TSAG-based Faraday isolator with depolarization compensation using a counterrotation scheme," Opt. Lett. vol. 43, pp. 3774-3777, 2018 https://www.osapublishing.org/ol/abstract.cfm?uri=ol-43-15-3774]

Аннотация результатов, полученных в 2019 году
Проведено теоретическое исследование усиления широкополосного сигнала в различных последовательностях лазерных усилителей на основе различных иттербиевых сред (Yb:YAG, Yb:CaF2 и Yb:YLF). Показано, что при усилении импульсов с энергией 1 мкДж до 10 мДж в Yb:YAG ширина спектра уменьшается до 1.76 нм, в Yb:YLF – до 4.12 нм, а в Yb:CaF2 – до 6.33 нм. Исследованы перспективы комбинирования различных сред в одной усилительной системе. Показано, что при усилении в 100 000 раз с энергии 1 мкДж до 100 мДж в Yb:YAG ширина спектра уменьшается с 8 нм до 1.52 нм. Но при комбинированном усилении сигнала сначала в 10 000 раз в Yb:CaF2, а затем еще в 10 раз в Yb:YAG ширина спектра уменьшается лишь до 3.18 нм, что позволяет уменьшить длительность выходных импульсов более, чем в два раза. Таким образом, перспективным подходом является использование на первых каскадах усилителей на тонких стержнях из широкополосных сред (Yb:CaF2), а на высокомощных каскадах – дисковых усилителей на Yb:YAG. Исследованы искажения временного профиля стеков импульсов в многокаскадной усилительной системе из-за насыщения усиления, в зависимости от энергии импульсов и энергии насыщения среды. Показано, что при работе на высокой частоте следования стеков (>3 кГц) эффект незначителен и может быть легко скомпенсирован системой разделения импульсов. При использовании широкополосных иттербиевых материалов вместо Yb:YAG, эффект еще ослабляется из-за меньшего коэффициента усиления. На основе двух вертикально расположенных диодных лазерных стеков разработан диодный лазерный источник с пиковой мощностью более 2 кВт, оптимизированный для накачки дисковых АЭ. Экспериментально продемонстрирована высокоэффективная гомогенизация излучения диодных лазерных стеков в круглом кварцевом стержне с сохранением 64% мощности исходного излучения. Расходимость выходящего излучения составляет 0.21 рад*мм. Первые результаты усиления в дисковых АЭ с использованием разработанного источника накачки подтверждают его применимость в дисковых лазерах. Разработан и изготовлен ряд лазерных усилителей с различными геометриями АЭ для различных мощностей накачки и на различные уровни энергии импульсов. Для ослабления термонаведенных эффектов изготовлены усилители на основе тонких стержней с нелегированными концами. Для дополнительного усиления лазерного излучения изготовлены усилители на конических АЭ увеличенной апертуры. В данной геометрии излучение накачки распространяется в АЭ волноводным образом, многократно отражаясь от боковой поверхности, от меньшего торца к большему и усиливаемое излучение распространяется свободно в этом же направлении. Таким образом, большая часть тепла выделяется в тонкой части АЭ, где оно эффективно отводится, не приводя к возникновению сильных тепловых эффектов. В толстой же части АЭ мощность накачки значительно меньше, благодаря чему также не возникает серьезных тепловых искажений, несмотря на менее эффективное охлаждение. Для мощности накачки до 500 Вт и энергии импульсов 50-100 мДж изготовлены усилители на слэбах. Для мощности накачки более 1 кВт и энергии импульсов более 100 мДж разработан усилитель на основе композитного дискового Yb:YAG/сапфир АЭ с 12 проходами излучения накачки через АЭ и 18 проходами усиливаемого излучения. Разработаны и сконструированы испытательные стенды для тестирования и всесторонней характеризации лазерных усилителей, позволяющие измерять профиль температуры поверхности АЭ, поляризационные искажения излучения, профили фазовых искажений излучения в дисковых АЭ и тепловую линзу в стержневых АЭ, коэффициенты усиления слабого и сильного сигналов, а также М2 усиленного пучка. Проведено экспериментальное исследование усилителей с различными геометриями АЭ с использованием данных стендов. Экспериментальное исследование усиления сильного сигнала в усилителях на основе тонкого стержня и тонкого конического стержня показало, что при использовании яркой накачки оба усилителя показывают близкие выходные параметры. Однако при использовании менее яркой накачки с коническим усилителем достигнута значительно более высокая эффективность. Проведено экспериментальное исследование усиления слабого сигнала и величины тепловой линзы в усилителе на основе конического Yb:YAG стержня увеличенной апертуры. Коэффициент усиления за 1 проход составил 12 раз при мощности накачки 100 Вт, а оптическая сила тепловой линзы 15 1/м, что очень близко к результатам, получаемым в стандартных тонких стержнях, не смотря на больший диаметр выходного торца. Проведено экспериментальное исследование усилителей на основе тонких Yb:YAG стержней с нелегированными концами. Нагрев поверхности торцов АЭ при включении накачки составил менее 5 градусов, что значительно меньше, чем в аналогичных стержнях без нелегированных концов (более 20 градусов). Это привело к значительному улучшению угловой стабильности выходного пучка, благодаря ослаблению конвекции окружающего торцы воздуха. Исследована лазерная генерация в непрерывном лазере на Yb:YAG слэбе. При использовании пятна накачки 1.3*0.5 мм удалось достичь 32 Вт средней мощности выходного излучения при поглощенной мощности 82Вт. КПД относительно поглощенной мощности накачки при этом составил 39 %, дифференциальный КПД достиг 68 %. Проведено экспериментальное исследование тепловых эффектов в композитных Yb:YAG/сапфир АЭ с различными системами охлаждения, в одной из которых АЭ приклеивается на алмазный радиатор, а в другой напрямую охлаждается струей воды [I. I. Kuznetsov, A. E. Pestov, I. B. Mukhin, M. V. Zorina, M. R. Volkov, O. V. Palashov, and N. I. Chkhalo, "Thermal effects in Yb:YAG/Sapphire composite active elements for thin-disk lasers," in Laser Congress 2019 AW3A.3 https://www.osapublishing.org/abstract.cfm?uri=assl-2019-AW3A.3]. В системе с алмазным радиатором композитный АЭ не выдержал напряжений, возникающих на границе между Yb:YAG и сапфиром при включении накачки и разрушился при плотности мощности поглощенной накачки 5.5 кВт/см2 при диаметра пучка накачки 3.5 мм. В системе с прямы водным охлаждением аналогичный АЭ без разрушений выдержал испытания при плотности мощности накачки до 6.8 кВт/см2 при диаметре пучка 3.5 мм и мощность накачки до 1 кВт при диаметре пучка 5 мм. Измерение фазовых искажений в АЭ с различными системами охлаждения показало, что амплитуда фазовых искажений с системой с прямым водным охлаждением почти вдвое больше, чем с радиатором, что соответствует результатам расчета. На основе полученных теоретических и экспериментальных результатов разработаны две различные архитектуры усилительных систем. Первая основана на последовательном усилении импульсов в усилительной системе, включающей усилители на АЭ геометрии тонкого стержня, тонкого слэба и тонкого композитного диска. Вторая архитектура основана на параллельном усилении лазерных импульсов в многоканальной усилительной системе на основе тонких стержней. Показаны преимущества и недостатки каждой архитектуры. Разработана и реализована многокаскадная усилительная система, включающая задающий волоконный генератор, стретчер на брэгговской решетке, регенеративный усилитель и два однопроходных усилителя на тонких стержнях из Yb:YAG. Достигнута энергия импульсов 8 мДж, при которой произошел оптический пробой выходного торца стержня на третьем каскаде. Плотность энергии импульсов при этом составляла ~10 Дж/см2, что, согласно литературе, соответствует порогу пробоя качественных просветляющих покрытий при данной длительности импульсов. Полученная энергия более, чем в 3 раза превосходит предыдущий результат 2.5 мДж [I. Kuznetsov, et. al., Opt. Lett. 43, 3941-3944 (2018)], который являлся рекордом для усилителей на тонких стержнях. При ослабленной мощности выходного излучения продемонстрирована компрессия импульсов в схеме компрессора на брэгговской решетке с 4 отражениями до 2 пс. Исследована возможность использования цериевых стекол в качестве магнитоактивных элементов в ИФ для разделения усилителей в многокаскадной усилительной системе. Были исследованы постоянная Верде ряда образцов с содержанием оксида церия 5-25%, измерены спектры пропускания. Стекла обладают большей технологичностью роста и низкой стоимостью, по сравнению с традиционно использующимися кристаллами тербий-галлиевого граната [A. Starobor, O. Palashov, A. Babkina, E. Kulpina, Y. Sgibnev, Y. Fedorov, et al., Magneto-optical properties of cerium-doped phosphate glass, J. Non. Cryst. Solids. 524 (2019) 119644. https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0022309319305150]. Экспериментально исследованы различные схемы сближения импульсов на сверхкороткие временные интервалы при энергии импульсов несколько мДж. В первой схеме, основанной на накоплении последовательности импульсов во внешнем резонаторе, эффективность преобразования составила 30%, при этом эффективность генерации второй гармоники для одиночного импульса составляла 45%. Данное понижение эффективности можно объяснить потерями в резонаторе. Продемонстрировано варьирование временных интервалов между импульсами в диапазоне от 5 до 100 пс, которое осуществлялось за счет регулировки длин линий задержки в системе разделения импульсов с использованием автоматических микрометрических аттенюаторов. При уменьшении временных интервалов соседние импульсы начинают пересекаться в пространстве, что приводит к уменьшению эффективности системы из-за эффекта обратной конверсии излучения из второй гармоники в основную. Во второй схеме, основанной на разделении сигнала на 4 канала и попарной генерации неколлинеарной второй гармоники, эффективность преобразования составила 45%, что соответствует эффективности преобразования во вторую гармонику для одиночного импульса. В дальнейшем эффективность может быть еще увеличена. Данная схема обладает хорошей масштабируемостью по средней мощности и энергии, насколько это позволяет схема преобразования во вторую гармонику. Это делает ее перспективной для формирования «ультраплотных» стеков с высокой энергией на выходе многоканальной усилительной системы. Предложена и разработана третья схема, позволяющая создавать «ультраплотный» стек импульсов в дальней зоне с варьируемыми интервалами в диапазоне от 3 до 100 пс. Данная схема интересна для приложений, где облучаемый объект расположен в дальней зоне и взаимодействие незначительно зависит от направления пучка, например, лазерно-плазменная генерация рентгеновского излучения, генерация гармоник высокого порядка, обработка материалов и т. д.

Аннотация результатов, полученных в 2020 году
Проведены работы по усовершенствованию ранее разработанной численной модели расчета тепловых и лазерных процессов в усилителях на основе активных элементов различных геометрий. Модель дополнена блоком расчета усиленного спонтанного излучения (УСИ) и запасенной энергии в активных элементах геометрии тонких слэбов. Моделирование УСИ показало, что в отличие от, например, дисковых АЭ, в используемых АЭ на основе тонких слэбов УСИ не является ограничивающим фактором усиления. В результате, предложена и разработана схема накачки для активных элементов геометрии тонких слэбов, основанная на сложении пучков нескольких источников. Схема позволяет масштабировать мощность за счет увеличения количества источников. Разработан лазерный квантрон на тонком стержне квадратного сечения. С помощью численного моделирования показано, что фазовые искажения пучка, возникающие в активном элементе геометрии тонкого стержня квадратного сечения с размерами 1х1х20 мм из кристалла Yb:YAG с легированием 1.5 ат.% под воздействием яркой диодной накачки с длиной волны 940 нм, мощностью 120 Вт и диаметром пучка 400 мкм, являются с хорошей точностью стигматичными. Это позволяет говорить о возможности применения тонких стержней квадратного сечения наравне с тонкими стержнями круглого сечения в усилителях с высокой средней мощностью и в многоканальных лазерных системах. В результате, для эффективного охлаждения стержень с четырех боковых сторон обклеивался пластинами из керамики нитрида алюминия. Проведено экспериментальное исследование коэффициента усиления сигнала и качества выходного пучка в однопроходной схеме усилителя. При слабом сигнале (10 мВт) коэффициент усиления равнялся 13, что заметно меньше, чем результат, полученный ранее для аналогичного стержня с круглым сечением (30). Данное уменьшение усиления объясняется более сильным нагревом активного элемента, обусловленным наличием дополнительного слоя среды между активным элементом и хладагентом. При сильном же входном сигнале (30 Вт) коэффициент усиления составил 2 раза, что совпадает с результатами для круглого стержня. Параметр качества выходного пучка составил 1.1 при усилении слабого сигнала и 1.2 при усилении сильного, что с хорошей точностью совпадает с результатами для круглого стержня. Астигматичных искажений пучка не наблюдалось. Таким образом, переход от круглого сечения стержня к квадратному не привел к ухудшению качества пучка, что и требовалось проверить. Аналогичным образом изготовлен и исследован квантрон на тонком стержне с квадратным сечением с плавно меняющимся вдоль оси поперечным размером от 1х1 мм до 2х2 мм, позволяющий в 4 раза увеличить энергию усиленных импульсов, по сравнению со стержнем сечением 1х1 мм, избежав оптического пробоя выходного торца. Результаты совпали с полученными для тонкого стержня квадратного сечения. Предложена новая геометрия твердотельного усилителя, способная работать при высокой средней мощности и не требующая изготовления тонких активных элементов. Используется активный элемент формы стержня квадратного сечения, апертура которого в несколько раз превышает диаметр усиливаемого пучка, в то время как усиливаемый пучок и пучок накачки смещаются максимально близко к углу элемента, где осуществляется эффективное охлаждение среды, благодаря близости двух охлаждаемых граней кристалла [Кузнецов И.И. Заявка на патент № 2020140037 «Твердотельный усилитель лазерного излучения с высокой средней мощностью и хорошим качеством выходного пучка». Приоритет от 07.12.2020]. Расчеты показали, что в активном элементе размером 3х3х20 мм, смещение пучка из центра к углу на расстояние до граней 0.5 мм приводит к понижению температуры в центре области накачки на 37%. При этом в фазовом профиле возникает незначительный клин (0.15 градуса), а профиль фазовых аберраций практически не меняется. Эксперименты по усилению импульсного сигнала в усилителе на тонком стержне, а затем в усилителе на тонком слэбе показали, что порог пробоя антиотражающих покрытий на основе оксида тантала составляет 4.5 Дж/см2, что почти втрое ниже оптического пробоя покрытий на основе оксида гафния, использованных ранее (12 Дж/см2) [I. Kuznetsov et. al. ”Thin-rod and thin-tapered-rod Yb:YAG laser amplifiers with high average power and pulse energy”, Frontiers in Optics / Laser Science, OSA Technical Digest, paper JTu1B.42 (2020); I.I. Kuznetsov et. al. “High-energy and high average power thin-rod and thin-tapered-rod Yb:YAG laser amplifiers”, Proceedings - International Conference Laser Optics 2020]. Это стало основным фактором ограничивающим энергию импульсов. Максимальная энергия, достигнутая на выходе усилителя на тонком стержне составляла 3 мДж, а на тонком слэбе 7.5 мДж. Разработана компактная, надежная и стабильная 4-х канальная усилительная система, состоящая из системы разделения пучка на основе дифракционного оптического элемента, 4-х канального лазерного квантрона на основе активных элементов геометрии тонких стержней квадратного сечения и системы коллимации выходных пучков. Проведено усиление импульсного сигнала в 4-х канальной усилительной системе при пониженной энергии импульсов на входе (0.1 мДж в каждом канале). Коэффициент усиления составил 8 раз, что соответствует результатам, полученным в одиночном аналогичном стержне. Предложена новая геометрия 4-х канального квантрона, где активный элемент представляет собой стержень квадратного сечения, апертура которого в несколько раз превышает диаметр усиливаемого пучка, а 4 пучка накачки и сигнала смещены максимально близко к 4-ем углам кристалла. Области накачки в таком элементе эффективно охлаждаются, что позволяет работать при высокой средней мощности. Такая геометрия позволяет существенно упростить процесс изготовления квантрона. Разработана и реализована лазерная система, работающая в режиме генерации «ультраплотного» стека ультракоротких импульсов на основе 4-х канальной лазерной системы с использованием двух различных схем сближения импульсов на сверхкороткие временные интервалы (на генерации неколлинеарной второй гармоники и на формировании «ультраплотного» стека импульсов в дальней зоне). На выходе 4-х канального усилителя получены импульсы энергией 50 мкДж и длительностью 2 пс. При этом усиливался пикосекундный сигнал, что обусловлено отсутствием компрессора для всех 4-х каналов, что стало основным фактором, ограничивающим энергию импульсов. Эффективность преобразования излучения в «ультраплотные» стеки по схеме на основе генерации неколлинеарной второй гармоники составила 40%, а по схеме формирования стека в дальней зоне – 90%. Проведены исследования, направленные на создание новой фемтосекундной задающей системы, которая позволит уменьшить длительность импульсов на выходе многоканального усилителя для создания еще более «плотных» стеков импульсов, что открывает новые возможности их применений. Изготовлены и исследованы лазерные квантроны на основе тонких стержней из кристалла Yb:CaF2 длиной 18 мм, диаметром 1 мм и с уровнем легирования 2.5 ат.%. Достигнут коэффициент усиления по слабому сигналу 2.2 раза при импульсной накачке и 1.8 раз при непрерывной. Разница объясняется нагревом кристалла. На основе лазерного квантрона на Yb:CaF2 создан 4-х проходный усилитель, в котором усилен сигнал задающего Yb:KGW генератора с длительностью импульсов 120 фс с 0.8 до 4.5 Вт средней мощности. Ширина спектра усиленного сигнала при этом уменьшилась с 8 нм до 6 нм, что можно считать незначительным уменьшением, по сравнению со случаем усилителей на Yb:YAG. Исследование астигматизма тепловой линзы в кубических кристаллах показало, что зависимость фазовых искажений от полярного угла приводит к тому, что в поперечном сечении будут выделяться направления с большим и с меньшим набегами фаз, определяющих два фокусных расстояния F1 и F2. Точки в поперечном сечении, для которых фаза лежит между ними будет фокусироваться в области между F1 и F2. Отрицательное значение параметра оптической анизотропии в кристалле CaF2, в том числе в активном материале Yb:CaF2, ξ=-0.47, позволяет определить углы Эйлера (α, β, Φ), которые соответствуют ориентации [P], в которой астигматизм полностью исчезает. В отличие от CaF2, материал Yb:YAG, ξ = 3.2, имеет положительное значение параметра оптической анизотропии и в нем возможно лишь минимизировать астигматизм излучения. Согласно расчетным результатам моделирования, для Yb:YAG амплитуда астигматизма для ориентации [001] (α = β = Φ = 0) меньше в ~ 6 раз относительно [111] и является оптимальной [A. Yakovlev et. al. IEEE Journal of Quantum Electronics 56 (4), pp. 6100108 (2020)]. Проведено исследование возможности применения широкополосных лазерных сред, легированных ионами титана и хрома, для дальнейшего уменьшения длительности импульсов. Показано, что применение диодной накачки на длине волны 450 нм мощностью 50 Вт с волоконным выходом с диаметром волокна 105 мкм позволяет достигать коэффициент усиления по слабому сигналу в титан-сапфире 1.4, а в Александрите 1.135. Значения запасенной энергии при этом составляет 72 мкДж и 3 мДж соответственно [B. Resan, A. Rohrbacher, O. E. Olarte, P. Loza-Alvarez, I. Kuznetsov, “Revival of laser materials with new pump diodes””, International Conference Laser Optics (ICLO), St. Petersburg, WeR3-18 (2020)]. При данных значениях эффективное усиление возможно только при использовании многопроходных или регенеративных схем усилителей. Это делает невозможным применение данных сред в разрабатываемой многоканальной лазерной системе. При этом кристалл Александрита, в отличии от титан сапфира и других кристаллов, легированных хромом (Cr:LiSAF, Cr:LiCAF и т. д.), обладает достаточно большим временем жизни, что позволяет говорить о возможности усиления импульсов до энергии несколько мДж при использовании диодной накачки. Для дальнейшего уменьшения длительности импульсов предлагается использовать уширение спектра в нелинейной среде с последующей коррекцией квадратичной составляющей фазы. Построена численная модель для расчета нелинейного уширения спектра, основанная на решении квазиоптического уравнения во втором приближении теории дисперсии. Проведено сравнение результатов расчета с данными из литературы по уширению спектра в различных средах и получено хорошее соответствие. Рассмотрены различные варианты оптических схем многоканального нелинейного компрессора с различными нелинейными средами. Наиболее подходящей является однопроходная схема с твердотельной средой с кубичной или квадратичной нелинейностью. Здесь количество каналов легко масштабируется, но проблематично достигнуть большого B-интеграла, что необходимо для компрессии пикосекундных импульсов. Однако схема может применяться для импульсов суб-пикосекундной длительности, которые могут быть получены в разрабатываемой лазерной системе при использовании широкополосной задающей системы на Yb:KGW генераторе с Yb:CaF2 усилителями. Для набора большого B-интеграла необходимо использовать многопроходные ячейки. Проведено исследование поведения двух типов многопроходных схем при проведении сквозь них нескольких параллельных пучков с помощью трехмерной трассировки лучей. В схеме многопроходной ячейки Эрриотта параллельные пучки проходят различные траектории и различное количество проходов, что делает проблематичным ее применение. Однако в схеме с переносом изображения [E. Perevezentsev et. al. Appl. Opt. 56, 8471-8476 (2017)] данная проблема отсутствует, что позволяет рассматривать возможность ее применения.