Разработка пространственных фильтров и эффективных усилителей с высоким ресурсом работы для многокаскадных лазеров с качеством излучения близким к дифракционному

В последнее время во всем мире наблюдается повышенный интерес к разработке мощных лазерных установок, генерирующих фемтосекундные импульсы субпетаваттного и петаваттного уровня мощности [1−4, 1*-7*] Это связано с тем, что создание таких установок открывает перед физиками-экспериментаторами совершенно новые возможности. Так, при взаимодействии лазерных фемтосекундных импульсов с плазмой могут возникать квазимоноэнергетические пучки электронов с энергиями в сотни МэВ [5,6], а при взаимодействии с твердыми мишенями из области взаимодействия выходят пучки ускоренных ионов [7]. Данный метод формирования пучков заряженных частиц высоких энергий в настоящее время рассматривается как альтернативный по отношению к дорогостоящим традиционным ускорителям, которые могут достигать гигантских размеров. Другой областью физики, в которой востребованы лазерные импульсы петаваттной мощности, являются исследования в области управляемого термоядерного синтеза. Впервые уровень мощности лазерного излучения в 1 ПВт был достигнут путем сведения на мишени 192 лазерных пучков на установке NIF (USA) [1]. В качестве активной среды мощных каскадов этой установки было выбрано фосфатное стекло допированное неодимом КГСС1621 с ламповой накачкой [8], являющееся до сих пор одной из самых распространенных активных сред для мощных лазерных установок. Методом повышения мощности лазерного излучения является усиление частотно-модулированных лазерных импульсов с их последующим сжатием на дифракционных решетках в вакуумных компрессорах [9, 10]. При этом возможно либо непосредственное усиление чирпированного импульса в усилителях на неодимовом стекле [11], либо использование более широкополосных параметрических усилителей [12,13] или усилителей на Ti-сапфире [3], в которых вторая гармоника неодимового лазера служит накачкой. Для эффективного преобразования излучения неодимового лазера во вторую гармонику необходимо иметь на выходе лазерного комплекса на неодимовом стекле качество излучения близкое к дифракционному. Высокое качество излучения достигается при решении целого комплекса задач, среди которых основными являются создание эффективных лазерных усилителей и обеспечение их функционирования при плотностях энергий 5−10 Дж/см2 без повреждения оптических элементов, что достигается при использовании пространственной фильтрации излучения [14].

Лазеры с большой энергией выходного импульса, как правило, представляют собой цепочку лазерных усилителей, диаметр которых увеличивается от входа к выходу [1−4, 11]. Важной задачей является разработка и оптимизация отражателей квантронов, которые позволяют обеспечить эффективную и однородную по сечению активного элемента накачку, с одной стороны, и снизить энергоемкость установки как целого, с другой стороны. Последнее обстоятельство особенно важно для выходных каскадов лазерных установок, в которых при энергии излучения в 100 300 Дж, запасенная электрическая энергия составляет несколько десятков килоджоулей в каждом каскаде.

В 80-х гг. XX века для усиления наносекундных лазерных импульсов в мощных многокаскадных лазерных комплексах были разработаны многоламповые квантроны с диффузным (керсиловым) и с зеркальным отражателями [15,16]. В отражателе с диффузным отражателем лампы накачки расположены плотно вокруг активного элемента на минимальном расстоянии от него. Такое расположение элементов квантрона позволило получить высокий коэффициент усиления и обеспечить высокую равномерность освещения боковой поверхности накачиваемого активного элемента. В то же время в керсиловом отражателе большая часть лучей с каждой лампы попадает сначала на керсил и только после диффузии на керсиле приходят на активный элемент. Часть лучей после диффузии на керсиле вторично проходит через лампы, что ведет к их перегреву. В результате длительность импульса накачки сокращается, и спектр излучения ламп смещается в синюю сторону[17−19].

Более эффективными являются зеркальные отражатели с серебряным покрытием. В данной конфигурации, в отличие от керсилового отражателя, все лучи, выходящие из ламп, попадают на активный элемент либо непосредственно, либо после первого отражения от зеркал, что уменьшает нагрузку на лампы и существенно повышает эффективность накачки, а также снижает энергоемкость всей установки в целом. Основной проблемой при использовании таких отражателей является быстрое снижение отражающей способности вследствие окисления серебра. Предложенная в данной работе замена серебряного покрытия на алюминиевую пленку с оксидированным слоем MIRO [20,21] позволила существенно (до нескольких лет) повысить ресурс работы квантрона без регламентного обслуживания. Разработанная технология крепления пленки MIRO на ребрах жесткости специальной формы существенно удешевила процесс изготовления отражателей по сравнению с аналогами, выполненными из цельных металлических заготовок с последующим серебряным покрытием. Помимо высокого ресурса работы разработанные отражатели позволили вдвое снизить энергоемкость квантронов и всего лазерного комплекса.

Наряду с лазерными усилителями ключевыми элементами многокаскадных лазерных комплексов являются транспортные телескопы (ТТ). Транспортные телескопы согласуют диаметр пучка с апертурой усилителей, переносят изображение последовательных плоскостей, проходящих через активные элементы (АЭ) усилителей и, тем самым, уменьшают вариации интенсивности в выходном пучке. Диафрагмы, устанавливаемые в фокальной плоскости линз телескопов, уменьшают угол видения усилителей, что предотвращает самовозбуждение усилителей из-за паразитных бликов от различных элементов установок, понижают уровень спонтанной люминесценции усилителей [22] и подавляют мелкомасштабную самофокусировку (ММС) [23]. Транспортные телескопы с диафрагмой в фокальной плоскости называют пространственными фильтрами (ПФ) [14], поскольку они фильтруют высокочастотные компоненты пространственного спектра выходного излучения. От качества изготовления линз и механических элементов фильтра (крепления линз, крепления корпуса телескопа, котировочного устройства диафрагмы и т. д.), а также от юстировки ПФ зависит качество лазерного пучка, стабильность и надежность лазерного комплекса в целом.

Разработка пространственных фильтров для лазерных комплексов требует решения целого ряда научно-технических задач. Так, для повышения стабильности диаграммы направленности излучения необходимо разместить Ш^аБв усилитель на одном оптическом столе, что ставит задачу создания компактного пространственного фильтра. В то же время пространственные фильтры с экономически доступной сферической оптикой не могут иметь короткофокусные линзы, так как применение последних увеличивает сферическую аберрацию [24]. Диафрагма ПФ отсекает высокочастотные составляющие пространственного спектра излучения для предотвращения пробоев оптических элементов, для чего диафрагма должна иметь небольшой диаметр. Но, с другой стороны, размер диафрагмы должен быть достаточно большим для того, чтобы на краях диафрагмы вследствие высокой интенсивности излучения не возникала плазма, и лазерный импульс проходил через диафрагму без искажений.

Для надлежащего функционирования пространственных фильтров необходимо создать методику настройки (юстировки) диафрагмы ПФ по продольной и поперечной координате. Большая, в десятки и сотни метров, длина оптического пути в мощных лазерных установках [1−4, 1*], флуктуации окружающей температуры на доли градусов, связанные с тепловыделением в аппаратуре, вызывают неизбежные изменения в настройке положения проходящего излучения в фокальной плоскости транспортного телескопа относительно диафрагмы. Это приводит к необходимости разработки методов постоянного контроля положения диафрагмы ПФ и ее подстройки.

В зависимости от типа исполнения можно выделить 2 основных вида ПФ. Пространственные фильтры могут быть изготовлены, например, в виде цельного вакуумированного телескопа Кеплера с жестко закрепленными линзами и диафрагмой в расчетном месте. В этом варианте исполнения настройка ПФ осуществляется с помощью внешних заводящих зеркал [1,2526,27], что в цепочке каскадов усилителей требует обязательной подстройки всех последующих зеркал с проверкой попадания на активные элементы и дальнейшей коррекции направления излучения. Для болынеапертурных лазерных систем, таких как ИСКРА-5 [28−30], характерно исполнение ПФ в виде отдельно стоящих линз большого диаметра (от 0.5 до 1 метра в диаметре) и вакуумированной кюветы с диафрагмой, расположенной в фокальной плоскости транспортного телескопа. Добавление четырех поверхностей вакуумных окон кюветы, через которые должно проходить лазерное излучение, увеличивает потери и ухудшает качество пучка.

Для создания 300 Дж компактного лазера накачки на неодимовом стекле [8*, 9*] для субпетаватного фемтосекундного комплекса PEARL [1*] потребовалась существенная доработка конструкции ПФ и, соответственно, создание новых методик настройки диафрагмы ПФ. Предложенная конструкция ПФ обладает рядом преимуществ. Использование линз одновременно в качестве вакуумных окон позволяет отказаться от дополнительных оптических поверхностей, что приводит к компактности установки. Размещение линз на гибких сильфонах позволяет подстраивать расходимость излучения и выводить паразитные блики из апертуры пучка. Используемая для юстировки компактная вакуумная система направляющих линейного перемещения (трансляторов) дает возможность дистанционно позиционировать диафрагму в вакууме по трем координатам, используя систему видеоконтроля ее положения. Трехкоординатная сборка трансляторов позволяет выводить диафрагму из центральной области перетяжки транспортного телескопа для его настройки как телескопа Кеплера. Выбор исполнения системы юстировки диафрагмы как отдельно изготавливаемого и настраиваемого блока значительно повышает их ремонтопригодность и надежность всего лазерного комплекса. Блок юстировки диафрагмы при монтаже установки жестко закрепляется внутри вакуумной трубы с помощью распорных винтов и легко извлекается для регламентного обслуживания систем перемещения, для замены диафрагм и контрольных зеркал.

Отдельной задачей юстировки тяжелых оптических элементов установки PEARL, таких как дифракционные решетки, является проблема минимизации угловых отклонений при их перемещении. В силу технологических причин при изготовлении систем прецизионного позиционирования не удается обеспечить параллельность осей перемещения элементов качения, что приводит к возникновению угловых микроотклонений, которые приводят к разъюстировке системы. Разработка методов компенсации микроотклонений позволяет на порядок уменьшить возможные микроотклонения.

Настоящая диссертация состоит из результатов, полученных автором в процессе разработки субпетаваттного лазерного комплекса PEARL (НПФ РАН). Однако применимость результатов выходит за рамки использования только в конкретной лазерной системе. Разработанные в диссертации отражатели квантронов, пространственные фильтры и системы прецизионного перемещения оптических элементов могут служить элементной базой любых мощных лазерных комплексов.

Цель и задачи работы.

Целью диссертационной работы были разработка и создание эффективных лазерных усилителей и вакуумных пространственных фильтров с дистанционно управляемой диафрагмой для многокаскадных лазерных усилителейразработка необходимого экспериментального оборудования для телеметрического контроля положения диафрагмысоздание методик ручной и автоматической настройки положения диафрагмы пространственного фильтра.

Для достижения поставленных целей в работе решались следующие задачи:

• исследование широкого круга научно-технических вопросов, связанных с созданием оптимальной конструкции пространственных фильтров, анализ существующих концепций пространственных фильтров, используемых в современных российских и зарубежных многокаскадных лазерных установках;

• разработка оптимальной конструкции компактных пространственных фильтров, удовлетворяющих противоречивым требованиям эксперимента;

• выработка концепции изготовления линз ПФ, выдерживающих нагрузку входных и выходных вакуумных окон при наименьшей вносимой деполяризации в лазерное излучение, и ее экспериментальная проверка;

• разработка конструкции крепления линз ПФ на подстраиваемых вакуумных сильфонах для выведения паразитных отражений из апертуры излучения;

• выбор оптимальной конструкции и компоновки исполняющего механизма для перемещения диафрагмы в вакууме;

• создание методики предварительной (установочной) настройки пространственного фильтра в целом как Кеплерова телескопа в составе цепочки многокаскадных лазерных усилителей;

• создание аппаратно-программного комплекса, позволяющего контролировать положение перемещаемого объекта (диафрагмы) и настраивать ПФ как в ручном, так и в автоматическом режиме;

• разработка методик настройки и экспресс-контроля продольного и поперечного положения диафрагмы;

• экспериментальная проверка работоспособности отражателей квантронов (усилителей) в различных комплектациях для активных элементов различного диаметра;

• разработка комплекса технологической оснастки для изготовления отражателей квантронов.

Методы исследования.

Методы исследования включали: обобщение известных научных и технических результатов по вопросу создания пространственных фильтров для многокаскадных лазерных системэкспериментальные исследования деполяризации в линзах ПФ, используемых в качестве вакуумных оконанализ технической возможности перемещения диафрагмы с точностью в несколько микронотладка автоматической юстировки диафрагмы на экспериментальной модели ПФобработка экспериментальных данных методами математической статистики с применением ПЭВМ и специально разработанных программ.

Научная новизна работы.

В результате выполнения диссертационной работы:

• разработана серия пространственных фильтров для многокаскадных лазерных усилителей, конструктивные особенности которых удовлетворяют противоречивым требованиям функционирования ПФ: их компактности, с одной стороны, и качества излучения близкого к дифракционному, с другой;

• отличительной особенностью разработанных ПФ является размещение диафрагмы в кювете пространственного фильтра на компактной прецизионной вакуумной трехкоординатной системе линейного перемещения с шаговыми двигателями в качестве исполняющих механизмов, что позволяет дистанционно управлять взаимным расположением диафрагмы и проходящего через нее лазерного излучения, а также выводить диафрагму из области перетяжки пучка для настройки транспортного телескопа;

• разработаны методики настройки продольного и поперечного положения диафрагмы ПФ в ручном и автоматическом режимеразработана методика экспресс контроля продольного положения диафрагмы на основе ИК-визуализатора;

• предложена, экспериментально проверена и запущена в опытную серию конструкция отражателей для лазерных усилителей с отражающей поверхностью из алюминиевой фольги с оксидным покрытием, что позволило существенно (до нескольких лет) повысить ресурс работы квантронов без регламентного обслуживания. Разработана технология вклейки фольги в ребра жесткости специальной формы.

• предложена и экспериментально реализована система компенсации микроотклонений в системах линейного и углового перемещения (трансляторах) за счет контролируемого изгиба направляющих элементов качения. При использовании предложенного метода удалось уменьшить микроотклонения при линейном перемещении до единиц угловых секунд.

Практическое значение работы.

Разработанные автором отражатели квантронов и пространственные фильтры являются важнейшими элементами ряда компактных лазерных комплексов с рекордными параметрами по мощности излучения (до 0.56 ПВт в комплексе PEARL с длительностью импульса 43 фс).

Сконструированные отражатели для выходных каскадов усиления мощных многокаскадных лазеров позволили поднять эффективность накачки выходных каскадов более чем в два раза. Используемая в качестве отражательной поверхности пленка MIRO [20,21] показала более высокие эксплуатационные качества, чем отражатели на основе посеребренных поверхностей.

Найденное при разработке пространственных фильтров техническое решение — исполнение устройства юстировки диафрагмы в виде отдельного унифицированного для всех ПФ блока — позволяет легко извлекать его для регламентного обслуживания систем перемещения и для замены диафрагмы. При монтаже установки блок юстировки жестко закрепляется внутри вакуумной трубы с помощью распорных винтов.

Созданная аппаратура телеметрического контроля положения диафрагмы и программно-аппаратная система юстировки диафрагмы позволяет оперативно осуществлять автоматическую настройку ее положения относительно проходящего излучения.

Предложенная автором система компенсации микроотклонений в элементах линейного перемещения может быть использована для систем юстировки вакуумных компрессоров, в которых необходимо перемещать массивные дифракционные решетки без угловых отклонений штрихов или плоскостей отражения.

Основные положения, выносимые на защиту:

• Конструкция зеркальных двухсекционных отражателей с формой, близкой к эвольвенте на основе алюминиевой фольги с защитным оксидным слоем, позволяет существенно увеличить КПД и ресурс выходных каскадов лазерных усилителей и упростить технологию изготовления и сборки;

• Конструкция пространственных фильтров, выполненных в виде.

14 вакуумированной кюветы с расположенной внутри нее системой позиционирования селектирующей диафрагмы и юстируемыми линзами в качестве вакуумных окон, позволяет компактно разместить на одном оптическом столе шестикаскадный лазер накачки на неодимовом фосфатном стекле с параметрами 300 Дж/1 не и качеством излучения, близким к дифракционному;

• Унифицированные для всех пространственных фильтров (ПФ) установки трехкоординатные устройства систем линейного позиционирования селектирующих диафрагм на основе шаговых двигателей в качестве исполняющих механизмов, аппаратно-программного комплекса и методики юстировки обеспечивают автоматическое позиционирование диафрагм ПФ в вакууме по трем координатам с высокой (до 3−5 мкм) точностью и стабильностью положения диафрагм после настройки;

• Введение компенсирующего упругого изгиба направляющих в устройство прецизионного позиционирования массивных оптических элементов (например, дифракционных решёток) при осуществлении контроля на основе специально разработанного автоколлиматора позволяет существенно (до единиц угловых секунд) уменьшить микроотклонения при линейном перемещении.

Достоверность результатов.

Достоверность выбранных технических решений, разработанных конструкций и научных положений, выводов и рекомендаций подтверждена более чем 6-ти летней эксплуатацией пространственных фильтров в условиях целого ряда уникальных установок, в том числе субпетаваттного лазерного комплекса «PEARL» (ИПФ РАН, Нижний Новгород) и фемто-канала установки «ЛУЧ» (РФЯЦ-ВНИИЭФ, Саров) [10*].

Апробация и публикации по теме работы.

В общей сложности по теме диссертации соискатель имеет 25 публикаций, в том числе 7 статей в реферируемых научных журналах, 1 препринт, 18 публикаций в сборниках трудов конференций. Результаты, представленные в Главе 3, стали основой двух патентов на изобретения Российской федерации. Статьи по теме диссертации опубликованы в журналах, рекомендуемых ВАК Российской Федерации, в том числе «Письма ЖЭТФ», «ПТЭ», «Квантовая электроника», «Applied Optics», «Laser Physics Letters», «Optics Express» и др. Результаты работы неоднократно докладывались и получили одобрение на российских и международных конференциях: Laser Optics 2006, 2008, 2010; CLEO/EUROPE 2008; Advanced Solid-State Photonics 2005,2007; ULIS 2007; Лазерная физика и оптические технологии 2008 и др. Разработанная модель пространственного фильтра награждена дипломом и медалью 7-й Международной специализированной выставки ЛабораторияЭкспо-2009 (Всероссийский выставочный центр).

СТРУКТУРА И КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ.

Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения и библиографического списка, включающего 58 наименований. Работа изложена на 125 листах машинописного текста* содержит 46 рисунков, 2 таблицы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ.

В диссертации получены следующие основные результаты: 1. Предложена, экспериментально проверена и запущена в опытную серию конструкция зеркальных отражателей ламп накачки квантронов мощных выходных каскадов усиления, выполненных их алюминиевой фольги с оксидным покрытием, закрепленной на ребрах жесткости специальной формы. Использование такой конструкции, с одной стороны, существенно облегчает технологию изготовления отражателей, а, с другой, — позволяет повысить ресурс работы квантронов до нескольких лет, — что во много раз превосходит долговечность аналогов с покрытием из серебра.

2. Разработана новая конструкция пространственных фильтров для многокаскадных лазерных усилителей, выполненных в виде вакуумированной кюветы с расположенной внутри нее системой позиционирования диафрагмы и юстируемыми линзами в качестве вакуумных окон, что позволяет повысить качество лазерного пучка за счет отказа от дополнительных отражающих поверхностей и возможности выводить паразитные блики из апертуры пучка. Экспериментально показано, что использование линз в качестве вакуумных окон транспортного телескопа не вносит существенной деполяризации в структуру проходящего излучения при расстоянии между областью крепления линзы и апертурой пучка порядка 2-х толщин линзы. Оптимизация радиусов кривизны поверхностей линз ПФ и их фокусных расстояний с целью обеспечения минимума сферической аберраций обеспечивает компактность разработанных фильтров, что позволяет разместить на одном оптическом столе с размерами 4−5 метров шестикаскадный лазер накачки на неодимовом фосфатном стекле с параметрами 300 Дж 1 не и расходимостью излучения, не превышающей Зх-4х дифракционных пределов;

3. Предложена и экспериментально реализована система компенсации микроотклонений в системах линейного и углового перемещения (трансляторах). Компенсация осуществляется за счет введения в конструкцию трансляторов регулировочных элементов, осуществляющих контролируемый изгиб системы с целью совмещения осей перемещения элементов качения (шариков) в одной плоскости. Использование предложенного метода позволило на порядок (до единиц угловых секунд) уменьшить угловые отклонения относительно оси перемещения каретки транслятора.

4. Разработана вакуумная трехкоординатная система позиционирования диафрагмы пространственных фильтров с шаговыми двигателями в качестве исполняющих механизмов. Экспериментально продемонстрирована точность поперечного позиционирования диафрагмы на уровне 3−5 мкм при полном перемещении 30−40 мм. Созданная аппаратура телеметрического контроля положения и программно-аппаратная система юстировки диафрагмы позволяет оперативно осуществлять ручную и автоматическую настройку ее положения относительно проходящего излучения.