КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ
Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Номер проекта 18-12-00416
НазваниеГенерация «ультраплотных» стеков сверхкоротких лазерных импульсов с высокой энергией и средней мощностью для источников ускоренных заряженных частиц и вторичного излучения
Руководитель Палашов Олег Валентинович, Кандидат физико-математических наук
Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Федеральный исследовательский центр Институт прикладной физики им. А.В. Гапонова-Грехова Российской академии наук" , Нижегородская обл
Конкурс №28 - Конкурс 2018 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»
Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе; 02-303 - Физика лазеров
Ключевые слова Твердотельные лазеры с диодной накачкой, лазеры высокой средней и пиковой мощности, сверхкороткие лазерные импульсы, термооптика твердотельных лазеров, изоляторы Фарадея, лазеры для ускорителей заряженных частиц.
Код ГРНТИ29.33.15
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Проект посвящен исследованию актуальной научной проблемы создания лазеров для источников ускоренных заряженных частиц и вторичного излучения различных спектральных диапазонов с высокой средней яркостью. Используемые сегодня лазеры на кристаллах титан-сапфира и на основе оптических параметрических усилителей (OPCPA) способны обеспечить требуемую интенсивность, но ограничены по средней мощности на уровне нескольких десятков ватт. Ограничение связано с тепловыми эффектами в усиливающей среде и с отсутствием накачки с требуемой энергией импульсов и высокой средней мощностью. Кроме того, эффективность таких лазеров, как правило, не превышает долей процента. Импульсные лазеры с одновременно высокой пиковой и средней по времени мощностью могут быть построены на базе твердотельных лазеров с диодной накачкой на основе активных сред, легированных иттербием. Однако одновременное увеличение и средней мощности, и энергии импульсов является серьезной научной проблемой. Для достижения высокой средней мощности необходимо обеспечить эффективный отвод тепла от лазерной среды, что накладывает ограничения на геометрию активного элемента, который должен иметь малый размер по координате, вдоль которой осуществляется охлаждение (например, тонкий стержень, тонкий слэб, тонкий диск). При этом одним из важнейших факторов, ограничивающих энергию импульсов на выходе высокомощных иттербиевых лазеров, становится эффект оптического пробоя активных элементов, апертура которых ограничивается необходимостью эффективного охлаждения среды, а также эффектом усиленного спонтанного излучения.
Задачей проекта является создание иттербиевого лазера с высокой средней мощностью, работающего в режиме генерации высокоэнергичных «ультраплотных» стеков сверхкоротких импульсов. В данном режиме лазерное излучение представляет собой последовательность/стек сверхкоротких импульсов, которые разделены между собой временными промежутками сверхкороткой длительности. При взаимодействии с веществом такая последовательность импульсов способна «рождать» в среде резонансные процессы на частоте, соответствующей частоте следования импульсов внутри самой последовательности. В этом случае энергия излучения может передаваться среде так же эффективно, как в одноимпульсном режиме. Данный режим особенно актуален в области лазерно-плазменного взаимодействия, где синхронизация временных интервалов между импульсами с периодом плазменных колебаний приводит к резонансному возбуждению плазменной волны, а также в области генерации терагерцового излучения, где поле, рождаемое последовательностью импульсов, будет складываться когерентно, если временные промежутки между импульсами равны периоду колебаний терагерцового излучения. Задача создания лазера с высокой средней мощностью, работающего в режиме генерации «ультраплотных» стеков сверхкоротких импульсов с большой энергией в стеке является новой и на сегодняшний день подобных систем в мире не существует. В проекте предлагается концепция перехода от одноимпульсного режима к режиму «ультраплотного» стека, которая позволит решить проблему оптического пробоя в активных элементах лазера и за счет этого достичь существенно больших выходных энергий.
На первом этапе работы будет осуществляться разработка лазерных усилителей на основе иттербиевых сред. Будет решен целый ряд задач по исследованию перспективы применения новых геометрий активных элементов в высокомощном лазере (тонкие конические стержни, тонкие клиновидные слэбы и композитные дисковые элементы) и использованию различных активных сред в них (Yb:YAG, Yb:KYW, Yb:KGW, Yb:CaF2, Yb:Y2O3 керамика и т.п.). В некоторых геометриях многие среды будут испытаны впервые. В результате выполнения этапа будет построена гибридная многокаскадная усилительная система, где на каждом каскаде будет использована своя оптимальная для данной мощности геометрия активного элемента и оптимальная активная среда.
На втором этапе работы будет осуществлена разработка оптической схемы и реализация лазера, работающего в режиме генерации «ультраплотного» стека сверхкоротких импульсов. Будет исследован предложенный подход, основанный на формировании «ультраплотного» стека из традиционного стека с большими временными интервалами между импульсами за счет сближения импульсов. Принцип сближения имеет общие черты с широко известным принципом усиления разделенного импульса, где импульс разделяется на реплики, усиливается и затем когерентно складывается в один. Ключевым отличием является то, что импульсы не складываются в один, а лишь сближаются на регулируемые сверхкороткие расстояния. При этом существенно смягчаются требования к оптической схеме, так как не требуется точное равенство амплитуд импульсов, а подстройка длины линии задержки осуществляется не с точностью до фазы излучения, а только с точностью до огибающей (что на несколько порядков больше). Данное обстоятельство позволит увеличить количество реплик до нескольких десятков, или даже сотен, не заботясь об эффективности и стабильности обратного сложения, что поможет решить проблему оптического пробоя активных элементов усилителей. Будет предложено и экспериментально апробировано несколько различных методов сближения, основанных на двух различных принципах: на основе пространственного разделения импульсов и на основе конверсии длины волны импульсов при их накоплении во внешнем резонаторе.
Главным результатом проекта будет создание уникальной, не имеющей мировых аналогов лазерной системы, работающей в режиме генерации «ультраплотного» стека сверхкоротких импульсов и сочетающей большую энергию в стеке с высокой средней мощностью. Реализация проекта позволит поднять отечественные технологии лазеростроения на новый качественный уровень и в перспективе создавать источники ускоренных заряженных частиц и вторичного излучения, составив конкуренцию традиционным радиочастотным приборам.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Публикации
1.
Миронов Е.А., Палашов О.В.
Spectral, magneto-optical and thermo-optical properties of terbium containing cubic zirconia crystal
Applied Physics Letters, Vol.113 №6 p p.063504 (год публикации - 2018)
10.1063/1.5041248
2.
Старобор А.В., Снетков И.Л., Палашов О.В.
TSAG-based Faraday isolator with depolarization compensation using a counterrotation scheme
Optics Letters, Vol.43 №15 p p. 3774-3777 (год публикации - 2018)
10.1364/OL.43.003774
3.
Снетков И.Л., Палашов О.В., Осипов В.В., Мухин И.Б., Р.Н.Максимов, В.А.Шитов, К.Е.Лукьяшин
Continuous-wave 80-W lasing in Yb : YAG ceramics
Quantum Electronics, Vol. 46 №8, pp. 683–685 (год публикации - 2018)
10.1070/QEL16727
4.
Кузнецов И. И., Мухин И. Б., Палашов О.В., Уэда Кенити
Thin‐rod Yb:YAG amplifiers for high average and peak power lasers
Optics Letters, Vol.43 №16 p p. 3941-3944 (год публикации - 2018)
10.1364/OL.43.003941
5.
B. Lee, Чижов С. А., E. G. Sall, J. W. Kim, Кузнецов И. И., Мухин И. Б., Палашов О. В., G. H. Kim, Яшин В. Е., Вадимова О. Л.
Laser amplification in Yb:YAG thin rods of different geometries: simulation and experiment
Journal of the Optical Society of America B, Vol.35 №10 p p.2594-2599 (год публикации - 2018)
10.1364/JOSAB.35.002594
Публикации
1.
Старобор А.В., Палашов О.В.
Magneto-optical properties of cerium-doped phosphate glass
Journal of Non-Crystalline Solids, Vol.524 №15 pp. 119644 (год публикации - 2019)
10.1016/j.jnoncrysol.2019.119644
2.
Миронов Е.А., Палашов О.В.
Characterization of terbium containing cubic zirconia crystal for high power laser applications
Optical and Quantum Electronics, Vol.51 №46: pp.1-9 (год публикации - 2019)
10.1007/s11082-019-1763-6
3.
Кузнецов И.И., Мухин И.Б., Волков М.Р., Палашов О.В.
Thermal effects in Yb:YAG/Sapphire composite active elements for thin-disk lasers
Laser Congress 2019 (ASSL, LAC, LS&C) OSA Technical Digest (Optical Society of America, 2019), paper AW3A.3 (год публикации - 2019)
10.1364/ASSL.2019.AW3A.3
Публикации
1.
Кузнецов И. И., Пестов А.Е., Мухин И. Б., Волков М.Р., Зорина М.В., Чхало Н.И., Палашов О.В.
Composite Yb:YAG/sapphire thin-disk active elements for high-energy high-average power lasers
Optics Letters, Vol.45 №2 p p. 387-390 (год публикации - 2020)
10.1364/OL.384898
2.
Яковлев А.И., Снетков И.Л.
Thermal Lens Astigmatism Induced by the Photoelastic Effect in m3m, 432, and 43m Symmetry Cubic Crystals
IEEE Journal of Quantum Electronics, Vol.56 № 4 p p. 6100108 (год публикации - 2020)
10.1109/JQE.2020.2996639
3. Кузнецов И. И., Волков М.Р., Пестов А.Е., Мухин И. Б., Чхало Н.И., Палашов О.В. Composite Yb:YAG/Sapphire active elements for thin-disk lasers Frontiers in Optics / Laser Science, OSA Technical Digest (Optical Society of America, 2020), Frontiers in Optics / Laser Science, OSA Technical Digest (Optical Society of America, 2020), paper LW7G.5 (год публикации - 2020)
4. Кузнецов И. И., Чижов С.А., Мухин И. Б., Палашов О.В. 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 (Optical Society of America, 2020), Frontiers in Optics / Laser Science, OSA Technical Digest (Optical Society of America, 2020), paper JTu1B.42 (год публикации - 2020)
5. Кузнецов И. И., Чижов С.А., Мухин И. Б., Палашов О.В. High-energy and high average power thin-rod and thin-tapered-rod Yb:YAG laser amplifiers Proceedings - International Conference Laser Optics 2020, ICLO 2020 (год публикации - 2020)
6. Кузнецов И. И., Пестов А.Е., Мухин И. Б., Волков М.Р., Зорина М.В., Чхало Н.И., Палашов О.В. Composite optical elements for high-power lasers made by Surface Activated Direct Bonding Proceedings - International Conference Laser Optics 2020, ICLO 2020 (2020 г.) (год публикации - 2020)
7. Чижов С.А., Кузнецов И. И., Мухин И. Б., Палашов О.В. Comparison of thin-tapered-rod and thin-rod Yb:YAG laser amplifiers at high average power operation Proceedings - International Conference Laser Optics 2020, ICLO 2020 (2020 г.) (год публикации - 2020)