Особенности усиления уки.

Энергия УКИ фемтосекундной длительности обычно не превышает 10кДж, причем уменьшению длительности импульса сопутствует уменьшение энергии импульса. В ряде приложений требуется Е_имп гораздо больше 10кДж, поэтому энергию лазерных импульсов необходимо усиливать с помощью лазерных усилителей (ЛУС) из-за малой энергии УКИ. Необходимо использовать ЛУС с огромным коэффициентом усиления до 10¹⁰-10¹¹ раз.

Для этих целей можно использовать многопроходные ЛУС с большим числом проходов (в которых G гораздо больше, чем в однопроходных).

Схема многопроходного ЛУС:

Рис. 79

1. П ри многократно проходе лазерного импульса через АС происходит сужение спектра излучения (импульс становится более монохроматичным), т.к. спектральные части импульса с большей интенсивностью больше усиливаются:

Соответственно при уменьшении Δω увеличивается τ_имп. Этот эффект особенно сильно проявляется, когда длительность импульса порядка фемтосекунд.

Рис. 80

2. Спонтанное излучение. Чтобы за один проход через ЛУС лазерное излучение усиливалось в большое число раз, необходимо создать в АС большое значение К_ус, соответственно чем больше К_ус, тем больше спонтанное излучение.

Таким образом при огромных значениях G ЛУС контраст усиленного лазерного импульса на фоне спонтанного излучения уменьшается.

3. Сложность юстировки многопроходных ЛУС

4. При τ_имп порядка фемтосекунд и энергиях импульса от 0.1 мДж..1 Дж интенсивность импульса принимает гигантские значения:

Также огромное значение интенсивности ведет к проявлению нелинейных эффектов, в частности к самофокусировке. В итоге плотность мощности может превысить порог лучевой стойкости ~10¹⁰-10¹³ Вт/см², что повлечет разрушение АС. С учетом всех недостатков многопроходных ЛУС их целесообразно использовать при умеренном G~10³. На практике многопроходные ЛУС в большинстве в качестве последнего усилительного каскада, тогда не требуется большое G из-за того, что нужно большое η:

Особого внимания заслуживают многопроходные ЛУС на эксимерных средах. В некоторых приложениях необходима генерация УКИ УФ диапазона. Соответственно вторая или третья гармоники ФС-лазера попадает в спектральную область усиления эксимерных сред. Т.к. эксимерная АС является газообразной, то можно использовать огромный объем АС, используемый объем ограничивается лишь сложностью накачки.

Для того, чтобы усиление УКИ было эффективным, т.е. КПД ЛУС был высок, необходимо, чтобы плотность энергии входного лазерного импульса была порядка плотности энергии насыщения Q_нас=hν/σ. При такой энергии входного импульса К_ус ЛУС существенно уменьшится (см. семинары), т.е. почти вся запасенная энергия в АЭ ЛУС посредством создания инверсной населенности перейдет в энергию усиленного импульса. Ниже приведены плотности энергии насыщения для различных АС, которые используются в ЛУС:

АС	Qнас (Дж/см2)	Спектральная область, нм
Красители	~0.001	Видимый диапазон
Эксимеры	~0.001	УФ
Ti: сапфир	~1	~800
Nd: стекло	~5	~1054
Yb: стекло	~40	~1000

Из приведенных данных видно, что АС по значению Q_нас можно разделить на 2 группы:

- АС с малой плотностью энергии насыщения: красители и эксимеры

- АС с большой энергией насыщения: твердотельные среды.

Для УКИ плотность мощность, соответствующая Q_нас для твердотельных АС превышает порог лучевой стойкости материалов АС. Для преодоления этого обстоятельства используют специальный метод усиления УКИ – метод усиления чирпированных импульсов (CPA – метод, Chirped Pulse Amplification). Суть данного метода заключается в следующем: импульс, подлежащий усилению, пропускается через устройство с большой ДГС, в следствии дисперсионного расплывания τ_имп значительно увеличивается до 10⁵ раз и импульс приобретает частотную модуляцию, т.е. становится чирпированным. Т.к. τ_имп увеличивается, то P_пик уменьшается. Такой импульс можно эффективно усилить, без повреждения оптических элементов. После усиления импульс снова пропускают через устройство с той же ДГС, но с противоположным знаком дисперсии. В результате импульс сжимается, компенсируя первоначальное дисперсионное расплывание, и τ_имп становится близким к первоначальному. На следующем рисунке отображена диаграмма данного метода

Рис. 81

Устройство, в котором реализуется большая ДГС называется стретчером ( от англ. Stretch – растягивание).

В большинстве случаев дисперсию стретчера делают нормальной, а компрессора – аномальной.

В главе «компрессия ЛИ» мы подробно рассматривали решетчатый компрессор, говорили что данное устройство обладает аномальной дисперсией. Если внутри такого компрессора поместить телескоп с видимым увеличением Г=-1, то такое устройство уже будет обладать нормальной дисперсией.

Данный стретчер стал классическим, его оптическая схема приведена на рисунке:

Рис. 82

Телескопическая система переворачивает изображение, в результате оптический путь для длины волны λ` меньше, чем для λ. Соответственно где T – время прохождения оптического пути, и D – дисперсионный параметр, а значит дисперсия нормальная.

Для каждого разделения входного и выходного излучения вместо зеркала используют «зеркало-призму»:

Рис. 83

Т.е. после отражения от такой конструкции излучение распространяется в новой плоскости.

На практике используют более совершенные схемы стретчеров. В частности, стретчеры, в которых нет линз, фокусировка производится с помощью искривленных зеркал. Нежелательность использования линз обусловлена тем, что в них излучения испытывает дисперсионное расплывание, что тяжело скомпенсировать в компрессоре. Например, если

То в компрессоре не будет компенсироваться ДГС в линзах, что ведет к увеличению τ_имп.