Принцип действия главных усилителей лазеров
Главные усилители в лазерных системах — это ключевые компоненты, предназначенные для значительного увеличения энергии уже сформированных и предускоренных лазерных импульсов. Они функционируют после предварительного усиления и/или модуляции параметров импульса и являются завершающим каскадом амплификации перед компрессией (в случае CPA-систем) или выходом на мишень (в импульсных лазерах).
Основная задача главного усилителя — обеспечение максимальной выходной энергии при сохранении качества луча, минимальных нелинейных искажениях и высокой стабильности параметров выходного импульса.
Типы главных усилителей
Главные усилители реализуются в различных архитектурных и физических конфигурациях в зависимости от требуемой мощности, энергии импульса, длины волны, частоты повторения и других параметров.
1. Усилители на твердотельных средах Это наиболее распространённый тип главных усилителей в высокоэнергетических лазерах. В качестве активной среды чаще всего используются кристаллы, легированные редкоземельными ионами (например, Nd:YAG, Yb:YAG, Ti:сапфир).
Преимущества: — высокая прочность и термическая стабильность; — широкие полосы усиления (особенно у Ti:сапфира); — возможность масштабирования энергии.
Недостатки: — тепловая нагрузка при высоких энергиях; — ограничение по размерам активного элемента.
2. Газовые усилители Наиболее известны CO₂-лазеры и эксимерные лазеры, применяемые для генерации мощных импульсов в УФ- и ИК-диапазонах. Газовые среды характеризуются высокой однородностью и возможностью быстрого охлаждения.
Часто используются в импульсных системах для накачки активных сред, где требуются большие апертуры и высокая однородность поля.
3. Жидкие усилители (на красителях) Используются в узкоспециализированных лазерах, где необходимо перестраиваемое излучение. Красители позволяют реализовывать усиление на широком спектре, однако не подходят для накачки высокоэнергетических импульсов из-за ограниченной фотостабильности и проблем с циркуляцией среды.
4. Волоконные главные усилители Благодаря высокой эффективности, качеству луча и термической устойчивости, волоконные усилители становятся все более применимыми даже в высокоэнергетических системах. Однако из-за ограниченного модового объема и нелинейных эффектов они не применяются в экстримально высокоэнергетических CPA-системах, но широко используются в промышленности и среднеэнергетических лазерах.
Ключевые параметры главных усилителей
Энергия импульса Главный усилитель должен обеспечить выходную энергию от нескольких миллиджоулей до сотен джоулей (в зависимости от применения). Например, в лазерах класса Petawatt (PW) энергия одного импульса может достигать килоджоулей.
Полоса усиления Полоса пропускания главного усилителя ограничивает спектральную ширину усиливаемого импульса, а значит и его минимальную длительность после компрессии. Особенно это критично в CPA-системах, где широкополосные среды (например, Ti:сапфир) предпочтительны.
Нелинейные эффекты При усилении коротких импульсов в мощных средах возникают нелинейные искажения: самофокусировка, спектральное уширение, фазовая модуляция. Эти эффекты критичны в главном усилителе, поскольку могут привести к искажению фронта импульса и ухудшению фокусировки.
Темп накопления энергии и режим работы Главные усилители могут работать в одиночных импульсах (single shot), при низкой частоте повторения (1–10 Гц), либо в квазинепрерывном или высокочастотном импульсном режиме (до кГц). Темп накопления энергии ограничивается возможностями накачки и теплоотвода.
Архитектурные реализации главных усилителей
Однопроходные усилители Импульс проходит через активную среду только один раз. Простая конфигурация, минимальные проблемы с самофокусировкой и обратной связью, но требуется большая длина усилителя или высокая плотность энергии в накачке.
Многопроходные усилители Импульс многократно проходит через активную среду, что позволяет увеличить эффективность усиления. Реализуется с помощью зеркал или фазовых модуляторов (например, Faraday-ротаций). Требует точной юстировки и стабилизации.
Регenerative Amplifier (регенеративный усилитель) Особая разновидность многопроходной схемы, в которой импульс циркулирует внутри оптического резонатора с усилением, после чего извлекается. Позволяет добиться высокого усиления при хорошем контроле параметров импульса.
Главный усилитель с диодной накачкой Современные лазерные установки всё чаще используют твердотельные усилители с диодной накачкой, обеспечивающей высокую эффективность (>50%) и уменьшение тепловых нагрузок. Особенно это важно при высокочастотной работе и для промышленных систем.
Материалы и охлаждение главных усилителей
Активные среды Для мощных систем выбираются среды с высоким квантовым выходом, большой длиной кристаллов, хорошей термостойкостью. Часто применяются: — Nd:стекло (широкое апертурное усиление, но узкая полоса); — Ti:сапфир (широкая полоса, но низкая эффективность); — Yb:YAG (высокая эффективность, возможность диодной накачки).
Охлаждение Главные усилители требуют эффективной теплопроводности, особенно при высоком среднем потоке мощности. Используются: — Водяное охлаждение; — Криогенное охлаждение (например, для Ti:сапфира); — Газовые потоки; — Теплоотводящие подложки и кристаллы на опорах из алмаза.
Роль главного усилителя в CPA-системах
В схемах с чирпированным усилением импульса (Chirped Pulse Amplification) главный усилитель находится между расширением (stretcher) и компрессией (compressor). Именно он задаёт итоговую энергию импульса перед его сжатием до фемтосекундного масштаба.
В таких системах особенно важно: — минимизировать фазовые искажения; — контролировать спектральные компоненты; — сохранять пространственную однородность фронта волны; — исключить нелинейное самофокусирование при прохождении через активную среду.
Для борьбы с нелинейными эффектами используются: — увеличение апертуры пучка; — пространственное фильтрование; — распределённое усиление по нескольким каналам; — аподизация и фазовая коррекция волнового фронта.
Примеры реализации в современных лазерных установках
National Ignition Facility (США) Массив Nd:стеклянных главных усилителей, обеспечивающих выходную энергию до 2 МДж на длине волны 1053 нм. Используется для инерциального термоядерного синтеза.
LCLS-II и ELI (Европа) Системы с Ti:сапфировыми главными усилителями, генерирующими субпетасекундные импульсы мощностью >1 PW. Активно используются в фундаментальной физике и исследованиях материи в экстремальных условиях.
Фазированные массивы усилителей Современный тренд — использование нескольких синхронизированных главных усилителей, объединённых в фазу, для повышения суммарной энергии без потери пространственного качества. Такие системы требуют сложной системы управления фазами и интерференцией выходных импульсов.
Оптимизация и перспективы
Основные направления развития главных усилителей включают: — использование новых материалов с широкими спектральными полосами; — внедрение OPCPA (оптически параметрическое усиление) в качестве главного каскада; — разработку адаптивных оптических систем внутри усилителей; — масштабирование частоты повторения до кГц и выше при сохранении энергий импульсов.
Особое внимание уделяется снижению нелинейных искажений при усилении, разработке более эффективных схем охлаждения, и интеграции главных усилителей в компактные системы для научных, медицинских и промышленных применений.