Аннотация результатов, полученных в 2021 году
В ходе выполнения проекта в 2021 году были выполнены следующие основные работы: 1. Подготовлена и испытана обновленная схема работы системы синхронизации фотокатодного лазера с клистроном фотоинжектора, в которой и СВЧ-генератор, и задающий генератор фотокатодного лазера стабилизируются по опорному сигналу одного независимого генератора. Частота опорного сигнала составляет 98 МГц, что соответствует частоте следования импульсов задающего генератора лазера и одновременно 25-й субгармонике частоты СВЧ-тракта 2450 МГц. Это соотношение гарантирует возможность попадания импульса фотокатодного лазера всегда в одну и ту же фазу СВЧ-поля в ускоряющей секции, при этом сама фаза может быть отрегулирована с помощью фазовращателя в СВЧ-цепи. Управляющие сигналы на фотокатодный лазер, формирующий мощный импульс в ультрафиолетовом диапазоне, СВЧ-предусилитель, осуществляющий импульсную нарезку СВЧ сигнала и его усиление до уровня входного сигнала клистрона, и высоковольтный источник питания клистрона вырабатываются регулируемым блоком задержек, также синхронизованным с опорным генератором. Данная конфигурация позволяет проводить испытания СВЧ части ускорителя отдельно от испытаний фотокатодного лазера. В ходе таких испытаний было продемонстрировано, что система синхронизации не препятствует излучению клистрона с узким спектром и управляемой фазой с требуемой мегаваттной мощностью. 2. Выполнены исследования, направленные на оптимизацию многопроходового дискового усилителя на основе ячейки Уайта, в котором в качестве накачки использовался 360Вт источник с волоконным выходом, а в качестве активной среды допированный ионами иттербия кристалл KGW. В частности, на поверхности активного элемента было сформировано квазиплоское распределение интенсивности накачки, что позволило реализовать усилитель с минимальными искажениями пространственного профиля у пучка сигнала (1034нм). Для достижения этой цели были рассчитаны, созданы и протестированы различные типы коллиматоров и фокусаторов, используемых в транспортной линии, передающей излучение с торца волокна на поверхность активного элемента. Оптимальная комбинация коллиматора и фокусатора была использована в экспериментах по измерению коэффициента усиления одного и двух одинаковых последовательно расположенных усилителей. В первом случае был достигнут коэффициент усиления по слабому сигналу ~168. Во втором - экспериментальный коэффициент усиления превосходил в 2-3 раза величину, равную произведению коэффициентов отдельных усилителей со схожими параметрами. Такое поведение мы связываем со смещением статистического центра частотного спектра сигнала на выходе первого усилителя в область более коротких длин волн, что приводит к более высокому коэффициенту усиления во втором усилителе. 3. Спроектирована система ускоряющих секций и фокусирующих соленоидов для второго каскада фотоинжектора, позволяющего доускорить сгустки до средней энергии 20 МэВ. Каждая полуметровая ускоряющая секция представляет собой последовательность из 6 связанных резонаторов, запитываемых от одного источника СВЧ сигнала на частоте 2.45 ГГц. Данная частота совпадает с рабочей частотой первого каскада фотоинжектора, что позволяет синхронизовать все оконечные усилители СВЧ в обоих каскадах, запитав их через управляемые фазовращатели от одного стабильного маломощного источника непрерывного СВЧ сигнала. Для стабилизации поперечных характеристик сгустка рассчитаны магнитные фокусирующие системы в виде соленоидов, охватывающих каждую ускорительную секцию. Моделирование показывает, что параметры 100 пКл электронных сгустков на выходе второго каскада соответствуют значениям поперечного размера пучка менее 1 мм, поперечного нормализованного эмиттанса 0.7 мм мрад, и разброса по энергиям 0.2%. 4. Исследована возможность использования обратного комптоновского рассеяния излучения ИК лазера на попутном электронном пучке для генерации мощных импульсов терагерцового диапазона. На основе разработанной модели рассеяния получена система усредненных самосогласованных динамических уравнений, описывающих эволюцию огибающих амплитуд волн сигнала и лазерной накачки. Проведенное моделирование на специально разработанных численных кодах показало, что истощение импульса накачки в процессе взаимодействия мало, что в перспективе позволяет использовать лазерный импульс для повторной генерации терагерцового излучения. Комбинационное взаимодействие поля накачки и сигнала приводит к группировке электронов и усилению рассеянного импульса, отбирающего энергию у накачки. При этом максимальный темп роста амплитуды импульса сверхизлучения происходит в области наибольшей группировки электронов и замедляется при приближении к катодному концу пространства взаимодействия, что обусловлено малостью амплитуды модуляции плотности электронного потока в этой области. Расчеты показали, что для фотоинжектора оптимальными параметрами волны накачки являются мощность 130 ТВт и длительность 30 пс. При длине взаимодействия 15 мм можно сгенерировать импульс СИ на частоте 3 ТГц мощностью 220 кВт и энергией 4 мкДж.

Аннотация результатов, полученных в 2022 году
В ходе выполнения очередного этапа настоящего проекта была решена задача по оптимизации процессов генерации второй и четвертой гармоники от широкополосных чирпированных лазерных импульсов. Целью исследований был поиск оптимальных условий эксперимента для достижения наибольшей эффективности преобразования по энергии и сохранение 3D формы лазерного излучения. Для решения задачи по генерации второй гармоники было предложено использовать схему, в которой два импульса с противоположенными частотными чирпами неколлинеарно взаимодействуют в нелинейном кристалле. В лаборатории была создана оптическая схема формирования лазерных импульсов с противоположенным знаком частотного чирпа. Схема основана на использовании объёмной чирпирующей решётки Брэгга (дисперсия 3.8 пс/нм, дифракционная эффективность>75%), записанной в объёме фото-термо-рефрактивного стекла. На решётку с двух противоположенных сторон направлялись лазерные импульсы с длительностью близкой к своему Фурье пределу ~290 фс, а отражались в обратную сторону импульсы, уже растянутые во времени до длительности 25 пс. Далее оппозитно-чирпированные импульсы неколлинеарно смешивались в нелинейном кристалле LBO длиной 4мм. В экспериментах был реализован оо-е тип взаимодействия. Эффективность преобразования во вторую гармонику составила 28% при суммарной энергии импульсов первой гармоники ~60 мкДж. Последующее преобразование излучения в ультрафиолетовую область реализовывалась стандартным способом в нелинейном кристалле BBO толщиной 3 мм. В экспериментах по генерации ультрафиолета была достигнута эффективность преобразования более 50% по энергии, при этом энергия в импульсе составила ~8.3 мкДж. Суммарный КПД из инфракрасного в ультрафиолетовый диапазон составил ~18%. Другой решённой задачей была задача об увеличении энергии лазерных импульсов, используемых для диагностики 3D структуры импульсов рабочего канала лазера. Увеличение энергии импульсов с 30 нДж до 10 мкДж было реализовано на волоконном уровне с использованием усилителя с активным конусным волокном, у которого диаметр сердцевины увеличивался адиабатически с 10 мкм до 47 мкм. В результате усиления профиль лазерного пучка, а также частотный спектр не приобретали значительных искажений. Также был предложен и исследован усилитель мощных коротких терагерцовых волновых импульсов, основанный на принципиально нелинейном эффекте отражения короткого фотоинжекторного электронного сгустка от мощного волнового импульса. Это эффективный механизм отбора энергии волной из частиц, когда параметры электронного сгустка (начальный энергетический разброс, длина сгустка и эмиттанс) не оказывают существенного влияния на эффективность электронноволнового взаимодействия. В расчетах продемонстрирована возможность реализации источника мощных (сотни МВт) суб-терагерцовых импульсов с КПД на уровне 10-15%. Кроме того, была исследована возможность генерации импульсов рассеянного излучения экстремального ультрафиалетоовго диапазона высокой интенсивности в процессе вынужденного рассеяния мощной волны накачки на релятивистском электронном пучке. С этой целью предложено использовать смещение пятна накачки вдоль электронного потока с групповой скоростью рассеянного излучения. Требуемое смещение пятна накачки можно обеспечить за счет отражения лазерного излучения от дифракционной решетки при небольшой вариации частоты накачки и падении волны под малым углом к направлению электронного потока. При энергии частиц рассевающего электронного пучка порядка 1 МэВ можно использовать указанный механизм для генерации импульсов в мягком рентгеновском диапазоне. Наконец, было начато изготовление элементов второго ускорительного каскада фотоинжектора — СВЧ структуры, обеспечивающей ускорение частиц от энергии 3.5 МэВ до энергии 20 МэВ при сохранении малых значений поперечного размера и нормализованного поперечного эмиттанса пучка, и рассчитаны элементы системы диагностики фотоинжекторных сгустков.

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
В отчетном периоде велись работы по исследованию и оптимизации лазерных систем, ответственных за обеспечение катодной фотоэмиссии и создание кильватерных полей в плазменных ускорителях, по разработке ускорительных и диагностических элементов фотоинжекторного комплекса, а также по изучению новых механизмов взаимодействия электронных потоков с излучением. Управление 3D формой лазерных импульсов для различных задач ускорительной физики, как правило, реализуют в инфракрасном диа­пазоне за счет амплитудно-фазовой модуляции спектра профилируемого импульса. Для это­го используют инфракрасные чирпированные широкополосные лазерные импульсы. Преобразование профилированного лазерного импульс в видимую и УФ об­ласть спектра, как правило, выполняется с помощью последовательной генерации оптических гармоник. В этом случае ключевой становится задача сохранения пространственно-временного распределе­ния интенсивности при преобразовании излучения. Для решения этой задачи предложено использовать лазерные импульсы с частотными чирпами разного знака. При проведении работы с использованием численных методов определены оптимальные условия генерации третьей (оо-е тип взаимодействия) и второй (ео-е и ое-о тип взаимодействия) гармоник широкополосными чирпированными лазерными импульсами (центральные длины волн волн 1034 и 517 нм (800 и 400 нм) при ГТГ и 1034 (800) нм при ГВГ) на примере часто используемых нелиней­ных кристаллов BBO, LBO и BiBO. Применение частотных чирпов разного знака у взаимодействующих импульсов позволяет сохранить форму импульса при высоком КПД преобразования как при генерации третьей гармоники (КПД 60-80 %) в кристаллах BBO и LBO, так и при гене­рации второй гармоники в кристаллах ВВО и BiBO при КПД около 30%. Показано, что отличие между спектральными ширинами взаимодействующих импульсов сказывается на преобразовании значительно слабее, чем отклонение от оптимального (по эффективности преобразования) значения частотного чирпа второй гармоники. Показано, что при ГТГ широкополосными импульсами с оппозитными частотными чирпами, существуют оптимальные значения коэффициентов у кубичной составляющей спектральной фазы, однако их влияние на эффективность преобразования незначительно (~1%). За отчетный период была всесторонне исследована динамика различных параметров лазерного трейна (последовательности лазерных импульсов, следующих с высокой частотой ~ 1 МГц) в твердотельных лазерных усилителях на кристаллах Yb:KGW с импульсной накачкой киловаттного уровня. Особый интерес представляли переходные процессы при установлении режима steady-state, т.е. режима равновесия, в котором устанавливается баланс между мощностью накачки и разностью мощностей входного и выходного сигнала. Теоретически в режиме steady-state все параметры трейна должны оставаться неизменными, однако на практике это не всегда так. Наша задача была исследовать как различные параметры (ближняя и дальняя зоны пучка, спектр, длительность после компрессии, энергия импульса, его контраст по отношению к шуму люминисценции и т.д.) меняются при подходе к равновесию, а также в течение как минимум 100 мкс на равновесном плато. Было выяснено, но на плато в течении 100 мкс не происходит существенных изменений параметров пучка и импульса, что является крайне позитивным фактором при использовании данных лазеров в качестве драйверов фотоинжекторов электронов, в которых необходимо, чтобы все импульсы в пачке были максимально одинаковыми. Было показано, что в установившемся асимметричном режиме работы сверхизлучающего лазера с двухуровневой однородно уширенной активной средой, помещённой в низкодобротный резонатор Фабри-Перо, две компоненты инверсии населённостей, амплитуды встречных волн поляризации и поля совершают самосогласованные колебания с одинаковыми частотами. Такие осцилляции вызваны парами возбуждённых поляритонных и электромагнитных мод с частотами, отстроенными от основной поляритонной моды, находящейся в резонансе с двухуровневым переходом активных центров. Средние значения виртуального коэффициента отражения превышают коэффициенты отражения от зеркал резонатора в области пика инверсии населённости. Здесь решётка инверсии населённостей играет роль динамического брэгговского зеркала, на котором возникают сильные переотражения поля. Сильно инвертированные дипольные моменты активных центров, расположенных в этой области, колеблются поле центральной поляритонной моды, на так называемой частоте Раби, определяемой амплитудой этой моды. Вследствие нелинейности насыщения активной среды такие Раби-осцилляции возбуждают нерезонансные моды, не участвующие в индуцированном излучении центров, и ведут к динамическому фазовому переходу из стационарного одномодового состояния в нестационарное многомодовое. Таким образом, генерация сверхизлучающего лазера может быть многомодовой несмотря на то, что спектральная линия активной среды пересекается лишь с одной модой его резонатора Фабри-Перо. Спроектирована магнитная фокусирующая система фотоинжектора, позволяющая в несколько раз скомпрессировать электронный сгусток в поперечном направлении относительно его катодного размера при сохранении малого поперечного эмиттанса на уровне 1 мм мрад. Спроектирована и частично изготовлена система диагностики пучка. Изготовление ускоряющей системы второго каскада находится на завершающем этапе и намечено на начало 2024 г. Промоделированы различные режимы плазменного ускорения фотоинжекторных сгустков и получены первые результаты, подтверждающие возможность эффективного захвата и быстрого увеличения энергии предварительно ускоренных электронов. Согласно расчетам, в дальнейшем можно расчитывать на ускорение примерно половины частиц, попадающих в область сильного кильватерного поля, до энергий 100-150 МэВ на длине всего несколько миллиметров. Разработана квазиоптическая теория ондуляторного сверхизлучения (СИ) электронных сгустков, учитывающая эффекты дифракции излучения. На основе этой теории рассчитаны несколько вариантов ондуляторных источников с мультимегаваттной выходной импульсной мощностью, в т.ч. использующих фотоинжекторные электронные пучки и микроондуляторы с периодом менее 1 см. Также экспериментально продемонстрирована возможность создания подобных микроондуляторов с ондуляторным параметром ~1 при малых периодах вплоть до 1 мм. Выполнены исследования квантовой эффективности фотокатодов на основе алмазных пленок при воздействии оптического излучения различной длины волны, а также осаждение и исследование алмазных пленок, выращенных методом CVD, с различным типом проводимости и уровнем легирования алмаза. Максимальная квантовая эффективность катода на основе НКА пленки, измеренная в проведенных экспериментах, на порядок превышала измеренную квантовую эффективность конструкционной меди. Также было обнаружено, что легированные фосфором катоды могут демонстрировать квадратичную зависимость эмитированного заряда от энергии лазерного импульса, что позволяет надеяться на существенный выигрыш при повышении энергетики лазера. Исследовано резонансное ондуляторное взаимодействия электронного сгустка с полем короткого волнового импульса. Продемонстрировано существование двух режимов отбора энергии электронов волной – режим отражения электронов от волнового импульса, а также режим пролета электронов сквозь импульс. Продемонстрированная эффективность соответствует росту пиковой мощности волнового импульса примерно в 5 раз, что для нелинейного режима электронно-волнового взаимодействия является вполне существенным результатом. В рамках проекта предложен оригинальный метод компрессии электронных сгустков, основанный на движении сгустка через последовательность закрытых резонаторов. Для электронного сгустка с параметрами, характерными для современных фотоинжекторов, продемонстрирована возможность компрессии примерно в 20 раз.