"Это наконец сработало! Юрий, Мария, идите сюда скорее!"
Седовласый профессор Сергеев сиял от восторга, глядя на данные диагностики лазерной системы. Два его молодых аспиранта, Юрий и Мария, вбежали в комнату управления.
"Что случилось, Михаил Палыч? Это импульс получился стабильным?" - воскликнул Юрий с надеждой.
"Лучше, чем просто стабильный! Взгляните сами - длительность 3 пикосекунды при энергии 65 микроджоулей! А флуктуация всего 3,2%," - профессор рассмеялся, хлопнув ладонью по тетрадному листку с записями.
Мария восторженно присвистнула: "Но это же даже лучше, чем рассчитывали теоретически! С такими параметрами мы сможем запустить весь наш ТВТ СО2 усилитель, не боясь расщепления импульса!"
"Вот именно, вот именно! Все сложилось превосходно, благодаря нашему новому подходу с параметрическим усилением и смесительным BGGSe кристаллом," - профессор не мог сдержать волнения. - "Юрий, разверни пожалуйста файлы с измерениями и спектром импульса. Давайте обсудим более детально."
Юрий быстро вывел на большой экран графики временного профиля и оптического спектра выходного пучка, снятые диагностическими приборами.
"Как мы видим, энергия импульса сконцентрирована в пике длительностью всего 3 пикосекунды - именно такую небольшую длительность мы и хотели добиться для наилучшего усиления без эффекта расщепления в многоатмосферном усилителе. Высокая пиковая интенсивность порядка гигаватт на квадратный сантиметр и позволит задействовать механизмы спектрального уширения вроде уширения из-за запаздывающей ионизации."
"При этом спектр выходного импульса," - подхватила Мария, - "полностью накрывает 10R ветвь вращательно-колебательных линий СО2 молекулы. Его ширина около 150 обратных сантиметров, что соответствует трансформированной ограниченной длительности импульса порядка 2,5 пикосекунды. То есть мы близки к фурье-пределу!"
"Отлично, ребята!" - Сергеев благодушно кивнул. - "Но вы упустили еще кое-что. Юрий, обрати внимание на спектральную форму импульса. Видишь каков его модовый состав?"
"Ого, действительно!" - Eyes округлились от удивления. - "Спектр чистый, без типичной для параметрического усиителя мод-неустойчивости. Выходит, наша синхронизация накачки длинноволновым импульсом от Nd:YAG лазера и сигнальным эрбиевым импульсом сработала превосходно!"
"Именно так. Мы подавили модуляционную неустойчивость, обеспечив единовременную накачку в кристалле длинной в сантиметр. Подобная компактная эффективная схема генерации до нас еще никем не делалась!"
"А что касается энергетической стабильности," - продолжил профессор Сергеев, - "мы тоже здесь выигрываем благодаря использованию двух лазеров с различными активными средами. Юрий, расскажи, что ты предпринял, чтобы добиться такой низкой флуктуации выходного пучка?"
"Ну, как мы знаем, обычные лазерные усилители на кристаллах очень чувствительны к любым флуктуациям в параметрах накачки, из-за экспоненциальной зависимости коэффициента усиления. Однако, в нашей системе Nd:YAG лазер питает только "узкополосную" часть накачки на 1338 нм, отвечающую за формирование коротких импульсов. Его флуктуации напрямую не влияют на выходную энергию."
"А энергетические вариации самой "широкополосной" составляющей от эрбиевого волоконного лазера на 1540 нм корректируются подстройкой зарядного тока в ламповой накачке усилителя," - подхватила Мария. - "Эту часть системы я дополнительно стабилизировала обратной связью по измеренной энергии выходного пучка."
"Великолепно!" - профессор благосклонно похлопал учеников по плечам. - "Ваша тщательная отладка всех звеньев установки принесла замечательные плоды. Я рад, что моя идея о совместном использовании двух лазеров для эффективной накачки параметрического генератора оправдалась на практике."
"Осталось лишь детально проверить стабильность на длительном интервале времени и приступать к испытаниям нагрузки - усилению нашего рекордного импульса в многопроходном СО2 усилителе!" - со сверкающими глазами проговорил Юрий.
"Ох, Юра, Юра..." - Сергеев сокрушенно покачал головой, - "Ты опять все ставишь задом наперед. Первым делом нужно публиковать нашу разработку в научных журналах высшего эшелона. И уж только затем можно браться за модернизацию усилителя."
"Михаил Палыч, ну что вы!" - возмутилась Мария. - "Сначала все-таки экспериментальное подтверждение, с этим все ясно. Иначе, будет полная реклама, а не научная публикация!"
Профессор весело рассмеялся, глядя на покрасневшего Юрия.
"Вот именно, вот именно! Вы оба правы. Сначала проверим нашу систему по полной, задействуем в деле усилитель. А уж затем начнем писать статью в Optics Express. Ведь нам предстоит доложить научному сообществу об уникальном достижении - первом в мире излучателе на основе параметрического генератора, способном столь эффективно запитывать многоатмосферные СО2 усилители!"
Трое ученых обменялись воодушевленными взглядами. Впереди их ждало большое будущее!
Глава 5. Компоненты установки
"Ну что ж, друзья, пришло время более детально рассмотреть, из каких именно элементов состоит наша установка рекордной мощности," - начал профессор Сергеев, когда они расположились в его кабинете.
"Как вы знаете, ключевая идея нашего подхода - совместить в параметрическом генераторе мощные импульсы из двух различных лазерных сред. Позвольте вкратце напомнить происхождение этих излучателей."
"Первый - наносекундный импульсный Nd:YAG лазер на длине волны 1338 нм. Он генерирует пико-наносекундные импульсы с шириной спектральной линии менее 100 МГц. Эту долгоимпульсную составляющую мы используем для синхронной накачки параметрического кристалла."
"Вторая часть - эрбиевый волоконный осциллятор на 1540 нм с перестраиваемой чирпированной диссипативной импульсной схемой. Он производит исходные фемтосекундные импульсы, которые растягиваются в волоконной брэгговской решетке до 500 пикосекунд."
"Эти чирпированные импульсы крайне широкополосны - более 100 обратных сантиметров по спектру. В параметрическом генераторе они расширяются примерно до 150 обратных сантиметров, что соответствует трансформированной ограниченной длительности около 2,5 пикосекунды."
"Для усиления этих расходящихся импульсов служит волоконный параметрический усилитель на базе кристалла периодически-инвертированного ниобата лития толщиной 15 мм. Накачка здесь - тот же Nd:YAG лазер на 1064 нм в режиме гигаваттных пиковых интенсивностей."
Юрий внимательно кивал, делая заметки: "Получается, что чирпированный импульс на выходе усиливается более чем в 300 000 раз, почти до миллиджоуля энергии."
"Верно подмечено! Ну а затем, собственно, оба импульса - как долгоимпульсный на 1338 нм от Nd:YAG лазера, так и чирпированный миллиджоульный импульс от эрбиевой системы - совместно вводятся в сердце нашей установки."
"Ах да, знаменитый BGGSe кристалл!" - воскликнула Мария. - "Расскажите, Михаил Палыч, почему мы выбрали именно это универсальное чудо-вещество в качестве нелинейного смесителя?"
"Ученики, вы отлично все запомнили! BGGSe или бариев-галлий-германиевый селенид - это новейший перспективный нелинейный кристаллический материал. Его большое преимущество - чрезвычайно широкая полоса пропускания вплоть до 18 микрон в инфракрасном диапазоне."
"Плюс к этому низкий уровень двухфотонного поглощения с длинноволновым краем около 1,1 микрон. И высокий порог оптического пробоя в 2,3 Дж на квадратный сантиметр, что критически важно для пикосекундных импульсов."
"Кристалл выращивается методом Бриджмена-Стокбаргера, получаются отличные по оптическому качеству булы диаметром до 4 сантиметров! Что позволяет использовать BGGSe в мощных установках, где требуются крупные апертуры."
"Ну и наконец - высокая нелинейность, около 35 пикометров на вольт. Примерно две трети значения для традиционного арсенида галлия, зато без проблем с гигроскопичностью и деградацией поверхности."
"Потрясающе!" - ахнул Юрий. - "Комбинация столь выдающихся свойств делает этот кристалл просто идеальным для нашей задачи генерации мощных пикосекундных импульсов!"
"Именно так, мои друзья. Только сочетание лучших современных лазерных сред и новейших нелинейных материалов позволило воплотить в жизнь столь передовую компактную систему генерации импульсов терааттной мощности!"
Профессор с гордостью оглядел свой кабинет, где висели патенты и награды многолетних трудов. Но самая большая награда еще ждала их впереди.
В следующие недели в лаборатории кипела бурная деятельность. Под строгим руководством профессора Сергеева аспиранты доводили до совершенства все узлы уникальной лазерной системы.
Каждый компонент, от синхронизации лазерных импульсов с помощью электронных схем до выверенной юстировки оптических каналов, многократно проверялся и оптимизировался. Ученые провели испытания длительной круглосуточной непрерывной работы, чтобы убедиться в полной стабильности на больших интервалах времени.
Наконец, настал решающий день. На окраине города Сергеев имел доступ к специализированному оборонному исследовательскому центру, где располагался самый мощный в России многопроходный лазер на углекислом газе.
Колоссальная ампульная конструкция в форме полусферы диаметром 15 метров заняла огромный подземный бункер. Сложнейшая система зеркал обеспечивала до 8 проходов усиления через охлаждаемые газовые камеры, работающие при давлении в 4 атмосферы.
После тщательной калибровки и проверок все было готово к уникальному эксперименту. Под пристальными взглядами десятков коллег и руководителей центра, профессор Сергеев отдал команду запускать их передовой генератор пикосекундных импульсов.
Гул газовых и вакуумных насосов сотряс бункер. Через несколько минут яркая вспышка в красном углу оптической схемы возвестила о успешной работе параметрического генератора с BGGSe кристаллом. Диагностика показала превосходные параметры стабильного пикосекундного 10,2 микронного импульса: 65 микроджоулей энергии при длительности 3 пикосекунды.
"Ввод сигнала в усилитель...Начало процесса усиления!" - раздалась команда из диспетчерской.
Все смотрели, затаив дыхание. Пучок инфракрасного излучения, вначале чуть заметный, с каждым новым проходом становился все ярче и мощнее, выжигая отметины на приемных плитах. На мониторах компьютерной диагностики значение энергии импульса стремительно росло к запредельным величинам. Наконец после восьмого прохода оно достигло фантастической цифры 2,2 джоуля!
"Это успех! Невероятный успех!" - ликовал Сергеев, не веря собственным глазам. Их система не просто продемонстрировала рекордное усиление пикосекундного излучения, но и сумела эффективно стартовать КЛЮЧЕВОЙ режим работы - терааттную генерацию в многопроходнике.
В бункере воцарилось всеобщее ликование. Счастливые Юрий и Мария обнимали растроганного профессора. Впереди открывались невиданные горизонты для физики высоких энергий, лабораторной астрофизики и созидания новых состояний материи под воздействием мощнейших световых импульсов.
Группе Сергеева предстояло теперь сосредоточиться на подготовке масштабной международной публикации в ведущем научном журнале. Весь мир должен был узнать об их выдающемся достижении - первом в истории инфракрасном терааттном излучателе для мультиатмосферных усилителей!
Каждый из присутствующих в тот знаменательный вечер сознавал, что они стали свидетелями подлинного научно-технического прорыва, открывающего путь в новые миры высоких энергий и сингулярных фундаментальных взаимодействий. Человечество вновь расширило границы своих возможностей, благодаря упорному коллективному труду, смелым идеям и передовым техническим решениям!
что означает термин "мультиатмосферные усилители" и почему он имеет особое значение для данной работы. Это усилители лазера на углекислом газе (СО2), работающие при повышенном давлении в несколько атмосфер.
Использование многоатмосферных СО2 усилителей критически важно, поскольку спектр молекулы СО2 имеет гребенчатую структуру из-за вращательно-колебательных переходов. При атмосферном давлении эти узкие линии приводят к сильному импульсному расщеплению (разделению одного импульса на несколько пиков).
Повышение давления газа до нескольких атмосфер вызывает значительное уширение спектральных линий за счет столкновительного уширения. Это позволяет сгладить гребенчатый спектр усиления и существенно подавить импульсное расщепление при усилении коротких пикосекундных импульсов.
Именно поэтому возможность эффективно запускать и усиливать пикосекундные импульсы в "мультиатмосферных" многоатмосферных СО2 усилителях является ключевой для достижения ультравысоких пиковых мощностей терааттного диапазона. Это открывает двери для многих современных применений мощных лазеров, упомянутых в рассказе.
Addendum
В статье, опубликованной в Optics Express, авторы особо подчеркивают важность возможности их установки эффективно запускать мультиатмосферные СО2 усилители:
"Мощный инфракрасный терааттный излучатель для запуска многоатмосферных усилителей СО2 остается ключевой проблемой для достижения ультравысоких пиковых мощностей света. Гребенчатый спектр молекулы СО2 приводит к нежелательному импульсному расщеплению при усилении коротких импульсов.
Наш новый подход, основанный на параметрическом усилении в нелинейном BGGSe кристалле, позволяет генерировать стабильные 3-пикосекундные импульсы на 10,2 микрон с рекордной энергией 65 микроджоулей. Расчеты показывают, что при таких высоких интенсивностях в многоатмосферной среде можно эффективно задействовать механизмы уширения спектра вроде уширения из-за запаздывающей ионизации.
В результате, моделируемая временная форма импульса после 5 проходов усиления в 4-атмосферном 40-сантиметровом усилителе сохраняет гладкий импульсный профиль с пиковой мощностью свыше 1 терраватта. Более 50% энергии при этом содержится в лидирующем пике длительностью около 2 пикосекунд.
Таким образом, наша установка впервые демонстрирует возможность компактного и эффективного решения для генерации интенсивных терааттных пикосекундных импульсов, подходящих для эффективной инжекции в многопроходные мультиатмосферные СО2 лазерные системы."
Как видно, возможность генерировать стабильные высокоинтенсивные пикосекундные импульсы, способные запускать режим мощного усиления без импульсного расщепления в многоатмосферных СО2 усилителях, является главным достижением данной работы. Поэтому упоминание "мультиатмосферных усилителей" в названии публикации очень уместно и важно для демонстрации прикладного значения разработки.