Физика и технология широкоапертурных эксимерных лазерных систем с накачкой электронным пучком

Физика и технология широкоапертурных эксимерных лазерных систем с накачкой электронным пучком

Для исследования процессов взаимодействия излучения фемтосекундной длительности с веществом в ЛГЛ была разработана гибридная (т.е. состоящая из газовых и твердотельных лазеров ) лазерная система на основе титан-сапфирового лазерного стартового комплекса и ранее созданных электронно-пучковых KrF лазерных усилителей. Отличительной особенностью гибридных систем является прямое усиление фемтосекундных импульсов, генерируемых твердотельной лазерной системой, и прошедших через призменный стретчер с отрицательной дисперсией, в газообразных активных средах без использования сложных и дорогостоящих оптических компрессоров на основе дифракционных решеток, с последующей компрессией плоскопараллельными пластинами с положительной дисперсией. Гибридная лазерная система состоит из твердотельного стартового комплекса, генерирующего фемтосекундные импульсы излучения, KrF лазерного предусилителя и конечного усилителя.
Твердотельный стартовый комплекс, излучающий УФ фемтосекундные импульсы, был разработан и произведен российской компанией «Авеста-проект» совместно с Физическим институтом им. П.Н. Лебедева РАН. Этот комплекс, состоящий из Ti:сапфирового лазера, (длина волны излучения 744 нм, длительность импульса излучения 30 фс), оптического стретчера, регенеративного усилителя, многопроходных усилителей, оптического компрессора и оптического преобразователя излучения в третью гармонику излучает 60-100 фс импульсы на длине волны 248 нм с энергией излучения 0,5 мДж с частотой следования 10 Гц. Диаметр лазерного луча 8 мм. Максимальная энергия излучения на основной длине волны составляет 8 мДж. Этот комплекс может также генерировать фс импульсы на второй гармонике с длиной волны 372 нм с энергией 2 мДж. KrF лазерный предусилитель «Бердыш», накачиваемый электронным пучком, имеет активный объем 10х10х100 см³. Конечный KrF лазерный усилитель «Гарпун» с активным объемом 16х18х100 см³ накачивается двумя электронными пучками, распространяющимися навстречу друг другу. Эти пучки генерируются двумя электронными пушками и направляются в лазерную камеру через титановую фольгу.
На этой гибридной лазерной установке было исследовано усиление УФ ультракоротких импульсов (УКИ) в двух каскадах широкоапертурных KrF усилителей с электронно-пучковой накачкой. Полная энергия на выходе предусилителя достигала 23 мДж, при этом площадь пучка 38,5 см² составляла около 60% от апертуры предусилителя. Энергия УКИ на выходе конечного усилителя в режиме насыщении составляла 0,62 Дж в пучке площадью 92,5 см², что составляло 43% от апертуры. На вход предусилителя подавался импульс излучения с длительностью ~100 фс, т.е. после выхода из стартового комплекса не использовался стретчер. Длительность на выходе конечного усилителя не превышала 1 пс (измерение при помощи электронно-оптической камеры) и была не менее ~330 фс (измерение длины когерентности). Таким образом, пиковая мощность составляла ~ 1 ТВт. Угловая расходимось излучения была 20 мкрад. Оценки показывают, что при факторе заполнения апертуры 1.0 энергия усиленного импульса достигнет ~1.5 Дж. Применение стретчера для импульса на выходе стартового комплекса длительностью ~60 фс позволит получить на выходе системы импульс излучения с пиковой мощностью ~20-30 ТВт.
Для этой многокаскадной гибридной титан/сапфир – KrF лазерной установки в ЛГЛ в рамках партнерского проекта МНТЦ 4073 была разработана новая оптическая схема, которая позволяет получать цуги УКИ с высокой пиковой мощностью 0,2-0,3 ТВт в комбинации со 100-нс высокоэнергетичными импульсами. В неустойчивый конфокальный резонатор основного широкоапертурного KrF лазерного усилителя через полупрозрачный мениск инжектировались одиночные УКИ или цуг УКИ с интервалом следования ~5 нс, которые усиливались в процессе многократного прохождения резонатора и перекрывались с импульсом свободной генерации. Инжектируемые УКИ с длиной волны излучения 248,4 нм, энергией 0,5 мДж и длительностью 60 фс генерировались титан-сапфировым стартовым комплексом и усиливались до ~20 мДж в KrF лазерном предусилителе. При усилении одиночных ультракоротких импульсов (УКИ) или цугов УКИ на выходе системы получены импульсы с энергией ~1 Дж и длительностью ~1 пс (пиковая мощность 1 ТВт), либо цуг пикосекундных импульсов мощностью 0,1-0,2 ТВт, с полной энергией ~ 2 Дж, отстоящих друг от друга на несколько наносекунд. Получены комбинированные (амплитудно-модулированные) импульсы с энергией ~30 Дж, состоящие из усиленного цуга УКИ и импульса квазинепрерывной генерации длительностью 100 нс. Тем самым нашла экспериментальное подтверждение выдвинутая ранее концепция использования KrF лазера в схемах лазерного термоядерного синтеза (ЛТС) с быстрым (fast ignition) или ударным зажиганием (shock ignition). Измерена деградация пропускания различных оптических материалов для окон KrF усилителей под действием мощного УФ, рентгеновского и электронного облучений и показано, что наведенное короткоживущее нестационарное и долгоживущее поглощение является одним из критических факторов для реализации реактора на основе ЛТС.
Измерены спектры флюоресценции и нестационарного поглощения в УФ и видимом диапазонах для чистых благородных газов и их смесей со фтором и фторосодержащими газами, позволяющие судить о протекающих в активной среде эксимерных лазервх кинетических процессах. В смесях Ar/Kr/NF₃ и Ar/Kr/F₂ с небольшими добавками азота обнаружено слабое лазерное усиление излучения (коэффициента усиления ~0.1±0.05 м^-1) на переходе 4²G → 1,2 ²G тройной эксимерной молекулы Kr₂F с длиной волны 460 нм и шириной полосы ~60 нм, представляющем интерес для усиления УКИ с высокой плотностью энергии.

1. V.D. Zvorykin, A.A. Ionin, A.O. Levchenko, L.V. Seleznev, D.V. Sinitsyn, N.N. Ustinovskii, Multiterawatt Ti:Sapphire/KrF laser GARPUN-MTW as a test bench facility for verification of Combined amplification of nanosecond and subpicosecond pulses // J. of Phys.: Conf. Ser., 244, 032014 (2010).
2. В.Д. Зворыкин, А.О. Левченко, Н.Н. Устиновский, Усиление субпикосекундных УФ импульсов в многокаскадной лазерной Ti:сапфир – KrF-системе ГАРПУН-МТВ // Квантовая электроника, 40 (5), 381-385 (2010).
3. В.Д. Зворыкин, А.О. Левченко, С.В. Лихоманова, В.Ф. Штанько, Н.Н. Устиновский, Усиление и генерация излучения на переходе 4²G→1,2²G молекулы Kr₂F в широкоапертурном лазере с накачкой электронным пучком // Квантовая электроника, 40 (3), 203-209 (2010).
4. A.O. Levchenko, N.N. Ustinovskii, V.D. Zvorykin, Novel technique for transient absorption probing // J. Russian Las. Res., 31 (5), 475-480 (2010).
5. А.O. Levchenko, N.N. Ustinovskii, V.D. Zvorykin, Absorption spectra of e-beam-excited Ne, Ar, and Kr, pure and in binary mixtures // J. Chem. Phys., 133, 154301 (2010).
6. N.N. Ustinovskii, A.O. Levchenko, V.D. Zvorykin, Transient absorption and laser gain in e-beam-excited Ar/Kr/NF₃(F₂+N₂) gas mixtures // Laser and Particle Beams, 29,141-152 (2011).
7. А.С. Алимов, Б.С. Ишханов, В.И. Шведунов, В.Д. Зворыкин, А.О. Левченко, Н.Н. Устиновский, Н.Н. Могиленец, Высокоинтенсивный источник тормозного излучения для исследования радиационной стойкости оптических материалов окон эксимерных лазеров // Вестник Московского университета. Серия 3. Физика. Астрономия. № 2, 42-45 (2010).
8. V.D. Zvorykin, A.A. Ionin, A.O. Levchenko, L.V. Seleznev, A.V. Shutov, D.V. Sinitsyn, I.V. Smetanin, N.N. Ustinovskii, Effects of picosecond terawatt UV laser beam filamentation and a repetitive pulse train on creation of prolonged plasma channels in atmospheric air // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B, 309, 218-222 (2013).
9. В.Д. Зворыкин, А.А. Ионин, А.О. Левченко и др. Создание протяженных плазменных каналов в атмосферном воздухе амплитудно-модулированным УФ излучением Ti:-сапфир-KrF-лазера ГАРПУН-МТВ. Ч.1. Регенеративное усиление субпикосекундных импульсов в широкоапертурном KrF-усилителе с накачкой электронным пучком // Квантовая электроника, 43 , 332-338 (2013).
10. V.D. Zvorykin, A.S. Alimov, S.V. Arlantsev, B.S. Ishkhanov, A.O. Levchenko,N.N. Mogilenetz, V.F. Oreshkin, A.P. Sergeev, P.B. Sergeev, V.F. Shtan’ko, V.I. Shvedunov, N.N. Ustinovskii, Degradation of the Transmissive Optics for a Laser-Driven IFE Power Plant under Electron and X-Ray Irradiation // Plasma and Fusion Research, 8, 2405000 (2013).