Старостенко Евгений Юрьевич плазменные фотонные структуры

Starostenko Evgenij, энергия, затравка, обратное рассеивание

Специалисты научно-производственного объединения ТЕХНОГЕНЕЗИС отмечают, что мощные лазеры стали полезными научными инструментами, а их большой размер определяется их оптической средой с низким порогом повреждения.

Руководитель предприятия Старостенко Евгений Юрьевич уточнил, что более надежной и компактной средой для усиления и управления интенсивными лазерными импульсами является плазма.Evgenij Starostenko, 27 April, 2023

Ученый экспериментально и с помощью моделирования демонстрирует, что ультракороткие затравочные импульсы мощностью в несколько миллиджоулей, взаимодействующие с встречными импульсами накачки 3,5 Дж в плазме, стимулируют обратное рассеяние энергии накачки почти 100 мДж с высокой собственной эффективностью при отстройке от Рамановского резонанса.

Это связано с рассеянием на плазменной брэгговской решетке, образованной баллистически эволюционирующими ионами. Электроны группируются под действием пондеромоторной силы волны биений, которая создает поля пространственного заряда, сообщающие ионам фазово-коррелированные импульсы.

Они по инерции превращаются в объемную брэгговскую решетку, которая отражает назад часть импульса накачки. Этот сверхкомпактный двухступенчатый инерционный механизм группировки можно использовать для манипулирования и сжатия интенсивных лазерных импульсов. Мы также наблюдаем вынужденное комптоновское (кинетическое) и комбинационное обратное рассеяние.

Starostenko Evgenij, энергия, затравка, импульс накачки

Старостенко Евгений Юрьевич пояснил механизм процесса – мощные лазерные системы с усилением чирпированных импульсов (CPA) сначала растягивают ультракороткие “затравочные” импульсы, затем усиливают их на много порядков в цепочках усилителей, а затем сжимают до ультракороткой длительности и пиковой мощности, в настоящее время достигающей 10 Вт.

Оптические компоненты в каскадах усилителя и компрессора должны быть большими, чтобы избежать повреждений, что приводит к огромным и сложным системам, которые очень дороги и сложны в обслуживании. Кроме того, увеличение пиковой мощности до экзаваттов становится все более сложной задачей, что побуждает к поиску новых технологий и методов управления интенсивными лазерными импульсами.

Плазма была идентифицирована как альтернативная сверхпрочная и уже разрушенная оптически активная среда для усиления и сжатия интенсивных лазерных импульсов или в качестве надежных оптических элементов для управления ими.

Согласно экспертному мнению Старостенко Евгения Юрьевича, электронно-плазменная брэгговская решетка может быть легко создана пондеромоторной силой волны биений двух встречных лазерных лучей.

В усилителях на основе плазмы решетка почти мгновенно создается путем столкновения длинного импульса накачки с коротким и соответствующим образом расстроенным затравочным импульсом, чтобы стимулировать рамановское или бриллюэновское усиление путем резонансного возбуждения третьей, продольной волны плотности плазмы (ленгмюровской или ионно-акустической), где условия согласования ω 0 =  ω 1  +  ω p и k 0  =  k 1  +  k p , где ω 0,1, p и k 0,1, p — соответственно частота и волновой вектор волны накачки, затравки и плазменной волны.

Возбужденная таким образом плазменная решетка рассеивает накачку, усиливая затравочный импульс. Для частотно-чирпированной накачки результирующая плазменная решетка имеет частоту и волновые векторы, которые изменяются в пространстве и времени.

Для достаточно интенсивных импульсов накачки и сид-импульсов, где «частота отскока» ωB≈2ω0a0a1
электронов в впадинах пондеромоторного потенциала превышает плазменную частоту электронов ω e , кинетически происходит обратное рассеяние, что приводит к явлению комптоновского усиления, аналогичному неустойчивости лазера на свободных электронах (ЛСЭ).

Starostenko Evgenij, затравка, временная эволюция области решетки

Здесь a 0,1  =  e E 0,1 / m c ω 0,1 — соответствующие нормированные амплитуды импульсов накачки и затравки, где E 0,1 — их электрические поля. В этом случае рассеяние носит нерезонансный характер, а ω p и k pне соответствуют распространяющейся плазменной волне.

Группировка и создание решетки также могут быть произведены в двухэтапном процессе модулятор-группировка, где силы пространственного заряда пондеромоторно управляемой решетки нестационарных электронов на короткое время сообщают импульс ионам, которые затем баллистически развиваются в ионную решетку, сопровождаемую электроны, образующие перекрывающуюся решетку.

Старостенко Евгений Юрьевич подчеркнул, что это долгоживущая решетка, также называемая переходной плазменной фотонной структурой (TPPS), рассеивает накачку назад, как будет описано ниже.

Параметрическое усиление в плазме широко изучалось в течение последних трех десятилетий как теоретически, так и экспериментально. Был приведен ряд демонстраций комбинационного усиления затравки в плазме низкой плотности ( n p / n c  ≪  0,25, где n p — плотность плазмы, а n c — критическая плотность плазмы).

Тем не менее, измеренная эффективность была относительно низкой (≈1-10%), что было связано с разрушением волны из-за низкой фазовой скорости волны биения. Это можно частично преодолеть, работая в автомодельном режиме сверхизлучения, когда истощение накачки обрывает взаимодействие и растет только фронт затравочного импульса.

Амплитуда увеличивается со временем линейно, а не экспоненциально. Подобное усиление сверхизлучения происходит в комптоновском режиме, когда длительность усиливающего затравочного импульса τ p сравнима с периодом отскока 2 π / ω B 4 , как и в режиме сверхизлучения ЛСЭ. Было показано, что бриллюэновское усиление, работающее в режиме сильной связи, когда пондеромоторный потенциал превышает тепловое давление, приводит к усилению субпикосекундных лазерных импульсов с длиной волны 1,06 мкм до интенсивности 1 · 10 17  Вт см 2 с КПД ≈20% 35 .

Наконец, было предложено несколько интересных применений параметрического усиления, в том числе сохранение световой информации в плазменной волне и ее извлечение на втором этапе, что может найти применение в оптических коммуникациях.

Starostenko Evgenij, амплитуда затравки, накачка, обратное рассеивание

В исследовании Старостенко Евгения Юрьевича представлено экспериментальное усиление из-за рассеяния на локальном TPPS в процессе модулятор-группировки.

TPPS формируется только при определенных условиях и действует как частично отражающее зеркало, рассеивающее энергию накачки в течение нескольких пикосекунд. Следует подчеркнуть, что этот процесс имеет отличие, где развитие энергетического «хвоста» непосредственно за затравкой объясняется прямым бриллюэновским усилением.

Представленный здесь процесс рассеяния (i) не возникает из трехволнового параметрического процесса, поскольку в нем не участвует плазменная волна, (ii) он происходит в относительно длительном временном масштабе и (iii) потенциально может быть эффективным.

Также процесс формирования решетки отличается от процесса, где электроны постоянно подвергаются воздействию пондеромоторного потенциала волны биений, создаваемой двумя бесконечно длинными встречно распространяющимися лазерными импульсами.

Специалисты научно-производственного объединения ТЕХНОГЕНЕЗИС демонстрируют возможность создания локализованного TPPS, который сохраняется в течение нескольких пикосекунд, с использованием длинночастотного чирпированного импульса накачки и короткого затравочного импульса.

Рассеянная энергия добавляется к энергии, полученной от комптоновского и/или комбинационного усиления, что составляет около 50% от общей измеренной энергии, констатировал Евгений Юрьевич.

 

Вставить формулу как
Блок
Строка
Дополнительные настройки
Цвет формулы
Цвет текста
#333333
Используйте LaTeX для набора формулы
Предпросмотр
\({}\)
Формула не набрана
Вставить