ПВт/45 фс лазер на основе параметрического усиления частотно-модулированных импульсов

На основе принципов параметрического усиления света создан компактный суб-петаваттный лазерный комплекс, входящий в пять наиболее мощных лазерных систем в мире (пиковая мощность 0,52 ПВт, длительность импульса 45 фс, расходимость 2 дифракционных предела, центральная длина волны 910 нм). Это открывает широкие возможности для исследования экстремальных состояний вещества, новейших научных, медицинских и специальных приложений. Оригинальная архитектура лазера позволяет реализовать масштабирование комплекса до уровня 10 ПВт, используя существующие отечественные технологии.

Аннотация:
Использование параметрических усилителей света вместо обычных лазерных является одним из наиболее перспективных путей для преодоления петаваттного барьера мощности. В подобных системах за счет подбора нелинейного кристалла, направлений распространения и частот накачки и сигнальной волны реализуются условия широкополосного синхронизма, и наряду с этим используется традиционный для генерации сверхсильных полей принцип последовательного растяжения (чирпования), многокаскадного усиления и компрессии усиленных импульсов. Для усиления фемтосекундных импульсов авторским коллективом было предложено использовать невырожденное параметрическое усиление в кристалле DKDP, который, в отличие от широко используемого КDР, прозрачен примерно до 1,4 мкм. Кроме того, для центральной длины волны сигнального излучения 910 нм в DKDP реализуется сверхширокополосный фазовый синхронизм. На этой основе создан лазер мощностью 0,5 ПВт.

Задающим генератором являлся лазер на форстерите с хромом, излучающий импульсы длительностью 45 фс с энергией 3 нДж (центральная длина волны 1250 нм). Накачкой первых двух параметрических усилителей служило излучение второй гармоники одномодового одночастотного Nd:YLF лазера с длиной волны 527 нм, энергией до 1 Дж. Оконечный усилитель накачивался второй гармоникой лазера на фосфатном стекле с Nd c энергией 170 Дж.

Первый параметрический усилитель был двухпроходным. На первом проходе он осуществлял широкополосное преобразование чирпированных импульсов на длине волны 1250 нм в импульсы сигнального излучения на длине волны 910 нм, а на втором усиливал излучение на длине волны 910 нм. Третий параметрический усилитель находился в насыщении, благодаря чему была достигнута энергия чирпированного импульса на входе в компрессор 38 Дж. Максимальная энергия скомпрессированных импульсов – 23 Дж. Автокорреляционной функции соответствует импульс гауссовой формы длительностью по полувысоте 45 фс. Таким образом, пиковая мощность на выходе фемтосекундного лазерного комплекса на основе параметрического усиления чирпированных импульсов составила 520 ТВт. Эта величина в 30 раз превышает рекордный уровень, достигнутый в лазерах с параметрическим усилением чирпированных импульсов.

Авторы: В. В. Ложкарев, В. Н. Гинзбург, Е. В. Катин, А. В. Кирсанов, Г. А. Лучинин, А. Н. Мальшаков, М. А. Мартьянов, О. В. Палашов, А. К. Потемкин, А. М. Сергеев, Г. И. Фрейдман, Е. А. Хазанов, А. А. Шайкин, И. В. Яковлев ( ИПФ РАН)