Новые подходы к оптимизации схемы сверхмощной десятимикронной СО2 лазерной системы и генерация яркого рентгеновского излучения при взаимодействии сверхсильных ИК-лазерных полей с наноразмерными объектами - кластерами металлов и окислов металлов, образованных в струях с использованием сверхкритических флюидовНИР

Соисполнители НИР

МЛЦ МГУ Соисполнитель

Источник финансирования НИР

грант РФФИ

Этапы НИР

# Сроки Название
1 1 января 2011 г.-31 декабря 2011 г. Новые подходы к оптимизации схемы сверхмощной десятимикронной СО2 лазерной системы и генерация яркого рентгеновского излучения при взаимодействии сверхсильных ИК-лазерных полей с наноразмерными объектами - кластерами металлов и окислов металлов, образованных в струях с использованием сверхкритических флюидов
Результаты этапа: 1. Разработан и изготовлен DF-CO2 усилитель с окнами из ZnSe, имеющими защитные покрытия, который способен усиливать пикосекундные импульсы в 10-мкм диапазоне при давлении активной смеси в диапазоне 1 - 2,5 атм. DF-CO2 усилитель обладает полуавтоматической напускной газовой системой. В режиме свободной генерации удельный энергосъем DF-CO2 лазера составляет 35 Дж/л при длительности импульса генерации по основанию 2,65 мкс. 2. Создан измерительный комплекс для определения ненасыщенного коэффициента усиления. Оптимизирован состав смеси, который оказался D2:F2:CO2:O2:He (5:20:45:1:29), для получения максимальных значений коэффициента усиления и получены значения погонного коэффициента 4,7 м-1 (при давлении 1 атм) и 3.8 м-1 (при давлении 1.5 атм). 3. Впервые проведен анализ энергетических и временных характеристик шума в СО2 модулях, работающих в качестве усилителей сверхкоротких ИК импульсов при давлениях 2-15 атм и определены такие критические параметры усилителей как давление, коэффициент усиления и длина активной среды, а также плотность энергии усиливаемого импульса. Оценен энергетический контраст на выходе конечного усилителя, который зависит от контраста затравочного импульса, временных характеристик шума, предшествующего затравочному импульсу, и при выходной энергии 40 Дж может быть порядка 300. 4. Разработаны программы и проведен расчет усиления одиночного пикосекундного импульса в тракте СО2 усилителей. Численно показано, при использовании затравочного десятимикронного излучения с энергией порядка 100нДж и длительностью 0.5-1пс в трехкаскадной схеме, включающей регенеративный усилитель и промежуточный усилители высокого давления (10атм), а также выходной DF:CO2 усилитель промежуточного давления (2.5атм), достижима величина выходной энергии около 40Дж при длительности импульса 2.5пс. Показано, что в зависимости от схемы формирования затравочного излучения подавляющее влияние на развитие шума по цепочке усилителей и, соответственно, на получаемый контраст пикосекундного импульса, оказывает либо усиленный шум регенеративного усилителя, либо шум, поступающий в систему вместе с затравочным импульсом. 5. Создан экспериментальный комплекс для получения и диагностики нанокластеров металлов и их окислов в газовой фазе методом импульсного расширения сверхкритических растворов в вакуум. В экспериментальном комплексе реализована интеграция генератора наночастиц с времяпролетным масс-спектрометром, имеется лазерный ионизатор наночастиц и оптическая диагностическая схема. 6. Проведены постановочные эксперименты с импульсными струями, образованными расширением в вакуум сверхкритического раствора металлорганического соединения Iron (III) acetylacetonate в диоксиде углерода. Эксперименты подтвердили функциональную работоспособность созданного экспериментального комплекса для получения и диагностики нанокластеров металлов и их окислов в газовой фазе методом импульсного расширения сверхкритических растворов в вакуум. 7. Разработан и создан на отечественной элементной базе твердотельный YSGG:Cr:Er лазер с модуляцией добротности на основе затвора с нарушенным полным внутренним отражением и двухпроходового усилителя с поляризационной развязкой. Выходная энергия лазерной системы - более 100мДж при длительности импульса около 100нс. 8. Cоздан фемтосекундный Cr:Forsterite лазерный комплекс с параметрическим генератором затравочного фемтосекундного излучения десятимикронного диапазона, построенный по модульному типу в едином моноблоке и обладающий следующими выходными параметрами: на длине волны основного излучения в импульсе длительностью 120фс энергия составляет 1.0-1.2 мДж (возможно достижение при фокусировке интенсивности I?10^16 Вт/см2), частота повторения импульсов 10 - 50 Гц, мода ТЕМ00; в среднем ИК диапазоне на длине волны 10мкм в импульсе длительностью 300-500фс энергия составляет 1мкДж, что достаточно для инжекции в регенеративный СО2 усилитель высокого давления.
2 1 января 2012 г.-31 декабря 2012 г. Новые подходы к оптимизации схемы сверхмощной десятимикронной СО2 лазерной системы и генерация яркого рентгеновского излучения при взаимодействии сверхсильных ИК-лазерных полей с наноразмерными объектами - кластерами металлов и окислов металлов, образованных в струях с использованием сверхкритических флюидов
Результаты этапа: 1. Разработан и изготовлен DF-CO2 усилитель, способный усиливать пикосекундные импульсы в 10-мкм диапазоне при давлении активной смеси в диапазоне 1 - 2,5 атм. Геометрия усилителя: диаметр активной зоны 100 мм, длина (по инициированию) 100 см, объем активной среды 6,2 л. Использование окон из ZnSe с защитными покрытиями от агрессивной среды позволяет упростить его эксплуатацию. Создана полуавтоматическая напускная система для смены газовой смеси. Расположение окон отвечает схеме трехпроходового усилением с расширением усиливаемого светового пучка. Световой диаметр выходного окна 50 мм. Удельный энергосъем лазера в режиме свободной генерации составляет 46 Дж/л (полная энергия - 285 Дж) при длительности импульса генерации по основанию 2,5 мкс. 2. Модернизирована методика измерения ненасыщенного коэффициента усиления с помощью зондирования среды длинным импульсом и отработана методика измерения временного профиля коэффициента усиления за один “выстрел”. Оптимизирован состав смеси для получения максимальных значений коэффициента усиления: D2:F2:CO2:He (5:10:35:50); получены значения погонного коэффициента усиления 5,4 м-1 (при давлении смеси 1 атм) и 4,5 м-1 (давление смеси 2,5 атм). 3. Проведены измерения энергетических и временных характеристик шума (усиленного спонтанного излучения), в том числе и при использовании трехпроходной оптической схемы, соответствующей схеме усиления пикосекундного импульса. Полученный разброс значений энергии собственного усиленного шума (~1-20 мДж) прямо указывает на то, что измеряемый шум формируется в результате многократных проходов по активной среде за счет случайных паразитных обратных связей. Это подтверждает и проведенный расчет из которого следует, что энергия шума, усиленного в трехпроходной схеме, составляет величину порядка мкДж. Разработана программа, позволяющая проводить анализ спектра шума на разных этапах усиления десятимикронного затравочного импульса сверхкороткой длительности в многокаскадной лазерной системе. 4. Разработана программа для расчета процесса резонансного (горячий СО2) подавления шума, возникающего в усилительных каскадах СО2 системы. Определены параметры (концентрация СО2, длина кюветы и температура газа) такого резонансного фильтра, позволяющие улучшить контраст в 25 раз (при уменьшении энергии пикосекундного излучения в 2 раза). Сделан вывод о возможности использования такого фильтра только в таком месте многокаскадной системы, где шум становится узкополосным, т.е. только на выходе конечного усилителя промежуточного давления. Сделан предварительный анализ использования насыщающихся поглотителей (фреоны, SF6 и т.д.), из которого следует, что имеющихся литературных данных недостаточно для решения вопроса о возможности или невозможности их использования для подавления шума в пикосекундных лазерных системах. 5. Проведенные расчеты с учетом поперечной структуры пучка излучения показали, что десятимикронная лазерная система с длительностью импульса 2,5 пс, энергией излучения ~50 Дж и мощностью на уровне ~15 ТВт, позволяющая выйти при фокусировке на ультрарелятивистский режим взаимодействия ИК лазерного излучения с веществом, может быть создана по схеме генератор затравочного импульса, регенеративный усилитель высокого (15 атм) давления, промежуточный СО2 усилитель высокого (10атм) давления и выходной широкоапертурный (сечение ~100см2) DF-СО2 усилитель, работающий при давлении активной среды 2,5атм. Такие выходные параметры получены при энергии пикосекундного излучения на входе в DF-СО2 усилитель ~1.5Дж, погонном коэффициенте усиления 4 м-1, трех проходах через активную среду длиной 110 см при расширении пучка от 2-3 см2 до 80 см2. 6. Установлены параметры усилительных каскадов СО2 лазерной системы с конечным DF-CO2 усилителем промежуточного давления (2.5атм), позволяющие сконцентрировать большую часть энергии в первом пике цуга импульсов. 7. Создана установка для получения импульсной струи при расширении в вакуум через управляемое коническое сопло сверхкритического раствора диоксида углерода и металлоорганических соединений железа. В качестве вещества содержащего атомы железа использовались ацетилацетонат железа и циклопентадиенил (ферроцен) железа, который имеет относительно высокую растворимость в сверхкритическом диоксиде углерода среди других металлоорганических соединений железа. 8. При использовании ферроцена получена на порядок более высокая концентрация частиц железа 2•16^18 молекул/см3 в импульсном газовом пакете по сравнению с ацетилацетонатом железа 3•10^17 молекул/см3. Оценено, что общее число частиц и число частиц ферроцена в единице объема на срезе сопла составляет 2•10^20см^-3 и 7•10^16 см^-3 соответственно, что является важной характеристикой при использовании их в качестве лазерных мишеней. 9. Разработана методика и получены микрокапсулы диоксида титана путем с использованием сверхкритического раствора, в который входит диоксид углерода, этанол, полиэтилен гликоль и наночастицы диоксида титана. 10. Исследована зависимость получения микрокапсул от давления в камере распространения струи. Показано, что в условиях высокого вакуума микрокапсулы не образуются, а их устойчивое образование начинается с давления 400 тор в атмосфере гелия. Оценено, что число капсул полученных за один импульс примерно равно 3•10^11 , а плотность молекул диоксида титана на срезе сопла оказывается 2•10^17см^-3. 11. Разработан и создан на отечественной элементной базе твердотельный YSGG:Cr:Er лазер с модуляцией добротности на основе затвора с нарушенным полным внутренним отражением и двухпроходового усилителя с поляризационной развязкой. Выходная энергия - 140мДж при длительности импульса около 60нс. 12. Разработана и создана схема СО2 лазера высокого давления (максимальное давление смеси СО2-He может достигать 15атм) с накачкой излучением твердотельного YSGG:Cr:Er лазера с модулированной добротностью. Схема адаптирована под задачу регенеративного усиления затравочных сверхкоротких импульсов десятимикронного диапазона. Генератор затравочных импульсов создан на предыдущем этапе проекта. Проведены пуско-наладочные эксперименты и физический запуск СО2 лазера высокого давления.

Прикрепленные к НИР результаты

Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".