Петров В.А.   Купцов Г.В.   Петров В.В.   Лаптев А.В.   Кирпичников А.В.   Пестряков Е.В.  

Моделирование теплового поля в мощном мультидисковом криогенном лазерном усилителе

Докладчик: Петров В.А.

Применение высокоинтенсивных лазерных импульсов определяется многочисленными приложениями, среди которых ускорение заряженных частиц, взаимодействие высокоинтенсивного излучения с веществом, перспектива управляемого термоядерного синтеза, генерация аттосекундных импульсов. В настоящий момент, большой интерес вызывает получение импульсов с одновременно высокими средней и пиковыми мощностями. В Институте лазерной физики СО РАН разрабатывается лазерная система субджоульного уровня с мощной диодной накачкой, работающая с частотой повторения импульсов 1 кГц [1]. В качестве активных элементов системы используются среды, активированные ионами Yb3+.
В канале накачки лазерной системы [2,3] разработан криогенный мультидисковый усилитель для достижения уровня энергии импульсов 300 мДж. Усилитель состоит из 8 композитных кристаллических элементов на основе Yb:YAG, закрепленных в кристаллодержатели и прикрепленных к головкам безжидкостного замкнутого цикла охлаждения. Под воздействием диодной накачки с общей средней мощностью 800 Вт в композитных кристаллических элементах возникает тепловое поле, влияющее на эффективность усиления и фазовые искажения импульса. Минимальная температура активного элемента составляет 40 К (без накачки), 100 К – рабочая температура (полная мощность накачки). Общая длина оптического пути внутри усилителя ведет к большой чувствительности к механическим воздействиям на элементы. Несмотря на то, что криогенные головки имеют низкий уровень вибраций, они не обеспечивает достаточную пространственную стабильность излучения. Это приводит к необходимости оптимизации конструкции кристаллодержателей с учетом тепловых и механических особенностей.
Исследование теплового поля проводилось на основе численного моделирования трехмерного нестационарного уравнения теплопроводности. Решение уравнения производилось методом пространственного расщепления. Экспериментальные зависимости температуры активных элементов от мощности диодной накачки находятся в согласии с результатами моделирования. Получено распределение коэффициента усиления, определена величина тепловой линзы и искажения волнового фронта. На основании полученного решения была разработана конструкция кристаллодержателя с использованием гибких витых медных теплопроводов. Конструкция позволила подавить вибрации с сохранением эффективного охлаждения, что позволяет использовать излучение на выходе из системы для дальнейшего применения в качестве накачки для параметрического усилителя.
Полученные результаты будут использованы при создании и разработке мультитераваттной фемтосекундной диодно-накачиваемой лазерной системы субджоульного уровня с частотой повторения импульсов до 1 кГц.
Работа поддержана программами Президиума РАН "Экстремальное лазерное излучение: физика и фундаментальные приложения" и СО РАН.

1. В. В. Петров, Е. В. Пестряков, А. В. Лаптев, В. А. Петров, Г. В. Купцов, В. И. Трунов, С. А. Фролов Мультитераваттная фемтосекундная лазерная система с килогерцевой частотой следования импульсов // Квантовая электроника. - 2014. - Т. 44, № 5. - С. 452-457.
2. G.V. Kuptsov, V.V. Petrov, V.A. Petrov, A.V. Kirpichnikov, A.V. Laptev, and E.V. Pestryakov The development of amplification channels of high-intensity laser system with 1 kHz repetition rate // Журнал прикладной спектроскопии. – Т. 83. - № 6-16 (спец. выпуск). – 2016.
3. G.V. Kuptsov, V.V. Petrov, A.V. Laptev, V.A. Petrov, E.V. Pestryakov Simulation of picosecond pulse propagation in fibre-based radiation shaping units // Quantum Electronics. – V.46. – No.9. – PP. 801-805. – 2016.


К списку докладов