Аннотация

   Одной из проблем современных сверхмощных импульсных лазерных комплексов является очень низкое качество выходного излучения, что существенно уменьшает эффективность фокусировки. Это связано с возникновением аберраций в активных элементах лазеров и их изменением в процессе генерации световых импульсов. При этом увеличение мощности генерируемых лазерных импульсов не всегда возможно ввиду ограниченной лучевой стойкости используемых в резонаторах оптических элементов. Для повышения контраста импульса и увеличения интенсивности фокального пятна иногда используют переход на вторую гармонику. Однако в силу нелинейности процесса генерации второй гармоники в волновом фронте лазерного излучения появляются дополнительные нелинейные искажения, которые также снижают эффективность фокусировки.

   Существующие импульсные твердотельные лазерные комплексы, такие как National Ignition Facility (NIF) в США, MEGAJOULE (LMG) во Франции, SHENGUAN III в Китае, LFEX в Японии, УФЛ2 в г. Саров и PEARL в г. Нижний Новгород позволяют генерировать наносекундные импульсы с энергией до 10 кДж и используются для изучения взаимодействия мощного излучения с веществом. Однако ввиду обозначенных выше проблем в волновом фронте выходящего пучка появляются значительные по амплитуде крупно- и мелкомасштабные фазовые искажения. Это не позволяет сфокусировать излучение на мишени в пятно, близкое по размеру к дифракционному, и, как следствие, достичь требуемой плотности мощности на объекте для проведения исследований.

   Единственным способом улучшить качество излучения и увеличить эффективность фокусировки является применение элементов и систем адаптивной оптики, как было показано ещё в 2000 году (H.Baumhacker, K.J.Witte, H.Stehbeck, A.Kudryashov, V.Samarkin, "Use of deformable mirror in the 8-TW TiS-laser ATLAS", Proc. 2nd Int. Workshop on Adaptive Optics for Industry and Medicine, 12-16 July 1999, Durham, England, Ed. G. Love, pp. 28-31, World Scientific, 2000). Поэтому все современные лазерные комплексы мультитераваттного и петаваттного уровня мощности оснащаются адаптивными системами.

   Авторы проекта ведут активное сотрудничество с исследователями из Нижегородской области, с Институтом Прикладной Физики РАН и Всероссийским научно-исследовательским институтом экспериментальной физики (РФЯЦ-ВННИЭФ). В результате совместных работ были выявлены серьёзные недостатки существующих адаптивных систем коррекции нелинейных фазовых искажений, решение которых на сегодняшний день не продемонстрировано несмотря на то, что работы в этом направлении ведутся во многих лабораториях.

   В рамках работ по проекту мы предлагаем провести численные и экспериментальные исследования и разработать элементы адаптивной оптической системы коррекции волнового фронта в импульсных лазерах петаваттного уровня мощности. Для этого будет разработано новое широкоапертурное деформируемое зеркало биморфного типа c размерами более чем 300×300 мм. Для эффективного крепления такого зеркала и повышения временной стабильности профиля поверхности будет разработана активная оправа с тангенциальными и радиальными пьезокерамическими актюаторами, предназначенными для компенсации механических и термических деформаций зеркала. С целью устранения выявленных недостатков классического алгоритма, применяемого в датчике Шака-Гартмана, будет разработан алгоритм, адаптивно изменяющий маску микролинзового растра в зависимости от геометрии электродов деформируемого зеркала. Для решения проблемы некорректного сопряжения плоскости измеряемых аберраций с плоскостью адаптивного зеркала, датчика волнового фронта и фокусирующего элемента (параболического зеркала), а также для решения серьёзной проблемы определения опорного волнового фронта будет модифицирован алгоритм управления адаптивной системой — необходимо анализировать информацию как с датчика волнового фронта, так и с датчика распределения интенсивности фокального пятна в плоскости фокусировки. Успешное решение обозначенных проблем позволяет ожидать достижения мультипетаваттного и экзоваттного уровня мощности лазерного излучения, что в перспективе ведёт к прорывным результатам в области фундаментальной физики.

   Достижимость поставленных в проекте целей определяется высоким научным потенциалом и квалификацией ключевых участников коллектива. В качестве ведущих учёных в проекте заявлены признанные специалисты в области лазерной физики и адаптивной оптики: Е.А. Хазанов (лауреат государственной премии РФ, академик РАН, руководитель отделения нелинейной динамики и оптики ИПФ РАН, один из создателей самого мощного петаваттного лазерного комплекса в России) и Ф.Ю. Канев (ведущий научный сотрудник ИОА РАН, д.ф.-м.н., известный специалист в области адаптивной оптики, создатель пакета программ по моделированию гибких зеркал и датчиков Гартмана, имеет более 100 печатных публикаций и монографию). Члены коллектива владеют передовыми методами разработки деформируемых зеркал, датчиков волнового фронта, алгоритмов управления адаптивными системами и имеют более чем тридцатилетний опыт создания адаптивных оптических систем коррекции аберраций оптического излучения. Условием успешности выполнения данного проекта и получения запланированных результатов является техническая и материальная возможность создания, использования и модификации экспериментального стенда, предназначенного для исследования алгоритмов функционирования адаптивных систем и их элементной базы, а также обязательно применения результатов в реальных лазерных системах.

при поддержке