Лаборатория пространственно-временного профилирования фемтосекундного лазерного излучения

Год создания: 2019.
Руководитель лаборатории: Миронов Сергей Юрьевич, д.ф.-м.н.
Количество сотрудников: 14.

Научные направления: усилители лазерных импульсов, фемтосекундная оптика, генерация оптических гармоник, диагностика трёхмерной формы лазерных импульсов, управление 3D распределением интенсивности лазерных импульсов.

Ключевые результаты 2019:

1. Предложены и проанализированы два нелинейно оптических метода, позволяющие увеличить временной контраст интенсивных (ТВт/см²) фемтосекундных лазерных импульсов. Первый метод, основанный на использовании нелинейного интерферометра Маха-Цендера, позволит значительно увеличить дальний временной контраст при хорошем качестве оптических элементов. Однако, при точности изготовления поверхностей оптических элементов интерферометра хуже, чем λ/10 эффективность метода падает. Второй метод, основанный на использовании каскадной квадратичной нелинейности в двух последовательно расположенных одноосных нелинейных кристаллах, отстроенных от направления синхронизма, позволяет увеличить дальний временной контраст на несколько порядков. Оба метода лишь незначительно (~10%) уменьшают пиковую интенсивность импульса. Применение корректоров фазы спектра на выходе описанных устройств позволяет не только скомпенсировать снижение пиковой интенсивности по отношению к интенсивности исходного импульса, но и превысить её за счёт сокращения длительности.

2. Выполнены эксперименты по дополнительному сокращению длительности интенсивных (ТВт/см²) фемтосекундных лазерных импульсов с использованием выходного излучения субпетаваттного лазерного комплекса PEARL. Метод основан на использовании уширения спектра в тонких (~мм) кварцевых пластинках за счёт самомодуляции фазы в средах с кубической нелинейностью. После пластинки импульс с уширенным спектром перестаёт быть спектрально-ограниченным. Коррекция фазы спектра с использованием чирпирующих зеркал позволяет сократить длительность импульса в разы. В экспериментах показана возможность сокращения длительности с 63 фс до 21 фс.

3. Предложен метод сохранения 3D формы широкополосных чирпированных лазерных импульсов при высокоэффективной генерации второй, третьей и четвёртой гармоники. Метод основан на использовании наклона амплитудного фронта интенсивности у импульсов на входной границе нелинейного кристалла. Наклон амплитудного фронта позволяет управлять величиной групповой скорости у необыкновенно поляризованной волны с целью минимизации группового разбегания импульсов. С использованием численных методов показана возможность сохранения исходного линейно возрастающего во времени 3D эллипсоидального распределения интенсивности чирпированных фемтосекундных импульсов в процессах генерации второй, третьей и четвёртой гармоники титан-сапфирового лазера.

4. Создана математическая модель, которая позволяет выполнить численное моделирование процесса формирования лазерных импульсов с 3D квазиэллипсоидальным и цилиндрическим распределениями интенсивности. С помощью численного моделирования проанализирована возможность формирования лазерных импульсов с 3D эллипсоидальным и цилиндрическим распределением интенсивности длительностью ~1 пс (FWHM) с центральной длиной волны 1034 нм. Показано, что для формирования профилированных импульсов с цилиндрическим с длительностью импульса ~1 пс требуется полная ширина спектра ~100 нм. В этом случае длительность фронтов около 0,1 пс, а модуляция огибающей во времени менее 5%.

Ключевые результаты 2020 г.:

1. Разработан численный код, позволяющий моделировать нелинейное временное сжатие субпетаваттных лазерных импульсов (метод CafCA – Compression After Compressor Approach) при последовательном использовании (одной, двух и т.д.) стадий компрессии. Применительно к выходным параметрам лазерного комплекса Apollon (энергия 10 Дж, длительность по уровню половинной интенсивности 16 фс, диаметр пучка 140 мм, центральная длина волны 800 нм, пиковой интенсивностью 4,2 ТВ/см²) была показана возможность реализации временной компрессии до длительности в один период осцилляций светового поля. После прохождения первой стадии, где использовалась нелинейная пластина из плавленого кварца толщиной 400 мкм (накопленный В-интеграл 3,2) и чирпирующее зеркало с аномальной дисперсией -28,3 фс2, импульс сжимался до длительности 6,9 фс. После второй стадии, состоящей из пластины изготовленной из плавленого кварца толщиной 200 мкм (накопленный В-интеграл 3,5) и чирпирующего зеркала с дисперсией -6,7 фс2, длительность импульса составила 2,8 фс. Численный код был также использован для моделирования временного сжатия с использований двух стадий нелинейной компрессии применительно к параметрам выходного излучения субпетаваттного лазерного комплекса PEARL с пиковой мощностью 250 ТВт. Полученные результаты, находятся в хорошем согласовании с результатами экспериментов, в которых было продемонстрировано сокращение длительности с 75 фс до 15 фс при накопленном B-интеграле в каждой стадии ~5.

2. Метод CafCA подразумевает уширение спектра из-за фазовой самомодуляции и коррекцию спектральной фазы. Для лазерных импульсов с пиковой интенсивностью единицы ТВт/см2 уширение спектра реализуют при распространении излучения через нелинейную среду, например, тонкую (~мм) плоскопараллельную пластину, изготовленную из плавленого кварца, оптического стекла или прозрачного полимера. Применение полимеров является перспективным направлением, поскольку позволяет изготавливать образцы с большой апертурой (более 1 м) при толщинах менее 1 мм. В качестве примера были исследованы образцы промышленного полиэтилентерефталата: измерено распределение оптической толщины образца на апертуре 250 мм, а также зависимость коэффициента пропускания в области ближнего ИК диапазона. Результаты исследований показали, что линий поглощения в ближнем ИК диапазоне у полиэтилентерефталата нет, а среднеквадратичное отклонение оптической толщины у исследуемого образца составляет 0,73 мкм. Показано, что пластик может вносить деполяризационные потери, величина которых зависит от взаимной ориентации образца и поляризации падающего света. Максимальное значение деполяризационных потерь составило 7%, а минимальное менее 0,02%.

3. Применительно к управлению параметрами лазерных импульсов, применяемых для облучения поверхности катода с целью генерации электронных сгустков были решены следующие задачи. С использованием численных методов была проанализирована возможность формирования импульсов ИК диапазона с цилиндрическим распределением интенсивности в пространстве длительностью ~1 пс и фронтами ~130 фс. Показано, что для формирования таких структур необходимо использовать лазерное излучение с шириной спектра ~150 нм для центральной длины волны 1030 нм. С использованием численных методов продемонстрирована возможность реализации высокоэффективной генерации второй и четвертой гармоник с сохранением 3D структуры поля. Для удвоения частоты предложено использовать неколлинеарную схему взаимодействия двух идентичных импульсов с равными по абсолютной величине и противоположенными по знаку частотными чирпами в нелинейном кристалле. В этом случае, генерируемый сигнал второй гармоники повторяет форму импульса первой гармоники, но при этом обладает более узким спектром, что в значительной степени упрощает задачу по генерации четвёртой гармоники.

Ключевые результаты 2021 г.:

1. Показана возможность управления временной формой чирпированных импульсов с шириной спектра 0,3 нм и 1 нм (по уровню FWHM), растянутых до длительности 1 нс с использованием спектральных масок.

2. Собран и протестирован прототип формирователя спектрально-временного распределения интенсивности. В экспериментах продемонстрирована возможность управления спектрально-временным распределением интенсивности с использованием амплитудных и фазовых масок.

3. Предложен новый метод формирования коротких ~ 1пс лазерных импульсов с 3D квазиэллипсоидальным распределением интенсивности в видимом и ультрафиолетовом диапазонах. Выполнено численное моделирование, демонстрирующие работоспособность метода.

4. С использованием численных методов показана возможность сохранения 3D распределения интенсивности у профилированных лазерных импульсов в процессе генерации второй и четвертой гармоник первого типа (оо-е) при неколлинеарном взаимодействии импульсов с одинаковым по модулю и противоположенным по знаку частотным чирпом. Сохранения пространственно-временной формы при ГВГ и ГЧГ можно добиться и для промодулированных во времени на ТГц частоте лазерных импульсов.

Диссертации:
Кузьмин Игорь Валерьевич «Управление параметрами лазерных импульсов для генерации электронных сгустков в фотоинжекторах», на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук по специальности 1.3.19 – лазерная физика, дата защиты 14.03.2022.

Публикации:

1. Хазанов Е. А., Миронов С.Ю. «Нелинейный интерферометр для увеличения временного контраста интенсивных лазерных импульсов» // Квантовая электроника. – 2019. – Т. 49, № 4. – C. 337–343.
2. Гинзбург В. Н., Яковлев И. В., Зуев А. С., Коробейникова А.П., Кочетков А.А., Кузьмин А.А., Миронов С.Ю., Шайкин А.А., Шайкин И.А., Хазанов Е.А. «Сжатие после компрессора: трехкратное уменьшение длительности лазерных импульсов мощностью 200 ТВт» // Квантовая электроника. – 2019. – Т. 49, № 4. – С. 299–3013.
3. Хазанов Е.А., Миронов С.Ю., Муру Ж. «Нелинейное сжатие сверхмощных лазерных импульсов: компрессия после компрессора» //Успехи физических наук. – 2019. – Т. 189, № 11. – С. 1173–1200.
4. Kuzmin I.V., Mironov S.Y., Gacheva E.I., Poteomkin A.K., and Khazanov E.A. Retaining 3D shape of picosecond laser pulses during optical harmonics generation // Applied Optics – 2019. – Volume 58 – Issue 10 – P. 2678–2686.
5. Kuzmin I.V., Mironov S.Y., Gacheva E.I., Potemkin A.K., and Khazanov E.A. Retaining 3D laser pulse shape at sum frequency generation processes // Conference on Lasers and Electro-Optics Europe and European Quantum Electronics (Munich, 23–27 June 2019) – Munich 2019. – P. 1.
6. Kuzmin I.V., Mironov S.Yu., Gacheva E.I., Potemkin A.K., Khazanov E.A., Krasilnikov M.A., and Stephan F. Shaping picosecond ellipsoidal laser pulses with periodic intensity modulation for electron photoinjectors // Appl. Opt. – 2020. – Vol. 59. – P. 2776–2783.
7. Mironov S.Yu. et al. Thin plate compression of a sub-petawatt Ti:Sa laser pulses // Applied Physics Letters. – 2020. – № 116(24). – P. 241101.
8. Gacheva E.I., Potemkin A.K., Kuzmin I.V., and Mironov S.Yu. Distortion-free temporal profiling of chirped picosecond laser pulses by spectral shaping with opaque solid masks // Laser Phys. – 2020. – № 30. – P. 025004.
9. Kuzmin I.V., Mironov S.Y., Martyanov M.A., Potemkin A.K., and Khazanov E.A. Cross-correlator schemes for diagnostic of visible and UV shaped laser pulses // International Conference Laser Optics (ICLO) (Saint Petersburg, 2–6 November 2020) – Saint Petersburg 2020 – P. 1.
10. Kuzmin I.V., Mironov S.Y., Martyanov M.A., Potemkin A.K., and Khazanov E.A. Mach-Zehnder and Michelson interferometers for formation laser pulses with periodic intensity modulation // International Conference Laser Optics (ICLO) (Saint Petersburg, 2–6 November 2020) – Saint Petersburg 2020 – P. 1.
11. Kuzmin I.V., Mironov S.Yu., Martyanov M.A., Poteomkin A.K., and Khazanov E.A. Highly efficient fourth harmonic generation of broadband laser pulses retaining 3D pulse shape // Applied Optics. The Optical Society. – 2021. – Vol. 60, № 11. – P. 3128.
12. Mironov S.Yu., Starodubtsev M.V., and Khazanov E.A. Temporal contrast enhancement and compression of output pulses of ultra-high power lasers// Optics Letters. The Optical Society. – 2021. – Vol. 46, № 7. – P. 1620.
13. Кузьмин И.В., Мартьянов М.А., Миронов С.Ю. «Генерация четвертой гармоники широкополосных чирпированных инфракрасных лазерных импульсов с сохранением сложного пространственно-временного распределения интенсивности» // Труды XXV научной конференции по радиофизике Нижний Новгород. – 2021 г. – c. 17–20.