Пятикратное укорочение лазерных импульсов с мощностью 250 ТВт после их фазовой самомодуляции

В Институте прикладной физики РАН на лазерном комплексе PEARL экспериментально продемонстрировано пятикратное укорочение лазерных импульсов мощностью 250 ТВт после их фазовой самомодуляции. Полученный результат демонстрирует отсутствие физических и технологических ограничений на применение метода увеличения мощности CafCA (Compression after Compressor Approach) для петаватных лазеров. К несомненным достоинствам метода следует отнести его простоту и дешевизну, близкий к 100% КПД, возможность применения для модернизации любых лазеров с мощностями от единиц ТВт до 10 ПВт без существенного изменения их оптических схем.

В ИПФ РАН на петаваттном лазерном комплексе PEARL экспериментально продемонстрирована возможность укорочения длительности лазерного излучения с энергией 17 джоулей и диаметром пучка 18 см в пять раз – с 70 до 14 фемтосекунд. Сжатие импульса было осуществлено за счет его фазовой самомодуляции в пластинах из плавленого кварца и последующей компрессии при отражении от чирпирующих зеркал (метод CafCA – Compression after Compressor Approach). Пятикратное сжатие стало возможнным благодаря подавлению мелкомасштабной фокусировки за счет самофильтрации пучка при свободном распространении в вакууме, что позволило устранить ограничение на коэффициент укорочения импульса больше двух, которое ранее считалось непреодолимым.

Сокращение длительности лазерных импульсов означает существенный рост их пиковой мощности и, соответственно, рост интенсивности излучения при его фокусировке. Сразу после создания в 1960 г. первого лазера началась гонка за максимальной мощностью импульсов этого уникального источника сверхсильных электромагнитных полей. И уже через несколько лет максимальная интенсивность лазерного излучения составляла около 10¹⁴ Вт/см². Однако, в последующее двадцатилетие пиковая мощность, ограниченная оптической стойкостью активных элементов создаваемых лазеров, практически не росла.

Предложенный в 1985 г. метод CPA (Chirped-Pulse Amplification – усиление чирпированных импульсов), состоящий в предварительном растяжении импульсов во времени перед усилением с последующим их сжатием до исходной длительности, позволил резко увеличить мощность лазеров: к 2004 г. рекордная интенсивность достигла значения 10²² Вт/см² и замерла на месте. Это связано с тем, что предельная интенсивность лазерного изучения ограничивается уже не усилительной частью CPA-системы, а порогом пробоя дифракционных решеток компрессора, сжимающего чирпированный импульс после усиления.

Дифракционные решетки, используемые в компрессоре, это технологически сложные уникальные изделия, уже достигшие предела увеличения их геометрических размеров. Следовательно, возможны три пути дальнейшего наращивания пиковой мощности лазеров. Во-первых, за счет увеличения размеров пучка и использования мозаичных (составных) решеток в компрессоре. Во-вторых, за счет создания сфазированных параллельных CPA-каналов, каждый из которых заканчивается собственным компрессором. Эти два подхода, основанные на кратном увеличении энергии импульса, имеют ряд существенных недостатков: сложности реализации, габариты и высокая стоимость. От этих недостатков свободен третий подход, в котором мощность увеличивается не за счет роста энергии, а вследствие уменьшения длительности импульса. Такую возможность – дополнительное сжатие импульса после компрессора – дает метод CafCA: при распространении мощного излучения в среде с керровской нелинейностью его спектр расширяется благодаря фазовой самомодуляции, затем этот импульс сжимается чирпирующими (дисперсионными) зеркалами (см. рис. 1).

Начиная с 70-х годов прошлого века, данный метод применялся для укорочения длительности лазерных импульсов, однако уровень их энергии не превышал единиц миллиджоулей при диаметре пучка до 1 мм. В последнее десятилетие активно исследуется применение метода CafCA в существенно более мощных лазерах с энергией импульса в единицы и десятки джоулей и апертурой пучка в десятки сантиметров.

В ИПФ впервые в мире достигнута пятикратная компрессия лазерных импульсов с мощностью 250 ТВт. Полученный результат демонстрирует отсутствие физических и технологических ограничений на применение метода увеличения мощности CafCA для лазеров с исходным уровнем мощности 1 ПВт и выше. К несомненным достоинствам метода следует отнести его простоту и дешевизну, близкий к 100% КПД и возможность применения для модернизации любых лазеров с мощностями от единиц ТВт до 10 ПВт без существенных изменений их оптических схем.

Авторский коллектив: В. Н. Гинзбург, А. С. Зуев, А. П. Коробейникова, А. А. Кочетков, А. А. Кузьмин, С. Ю. Миронов, А. К. Потемкин, Д. Е. Силин, Е. А. Хазанов, А. А. Шайкин, И. А. Шайкин, И. В. Яковлев.

Публикации:

1. В. Н. Гинзбург, И. В. Яковлев, А. С. Зуев, А. П. Коробейникова, А. А. Кочетков, А. А. Кузьмин, С. Ю. Миронов, А. А. Шайкин, И. А. Шайкин, Е. А. Хазанов «Сжатие после компрессора: трехкратное уменьшение длительности лазерных импульсов мощностью 200 ТВт» // Квантовая электроника, 49, 299 (2019).
2. Vladislav Ginzburg, Ivan Yakovlev, Alexandr Zuev, Anastasia Korobeynikova, Anton Kochetkov, Alexey Kuzmin, Sergey Mironov, Andrey Shaykin, Ilya Shaikin, Efim Khazanov, and Gerard Mourou “Fivefold compression of 250 TW laser pulses” // Phys. Rev. A, 101, 013829 (2020).