Научно-исследовательская группа профессора Янь Лисиня с факультета инженерной физики Университета Цинхуа в сотрудничестве реализовала оптический резонатор усиления лазерного излучения со средней мощностью свыше мегаватта

В последнее время научно-исследовательская группа профессора Янь Лисиня с факультета инженерной физики Университета Цинхуа в сотрудничестве с командой профессора Fabian Zomer из IJCLab Университета Париж-Сакле (Франция) опубликовала важные результаты в области высокодобротных оптических резонаторов усиления. Исследовательская группа в лаборатории ускорителей Университета Цинхуа реализовала четырёхзеркальный оптический резонатор бантикового типа со средней мощностью лазера свыше 1 мегаватта и его стабильную работу, максимальная средняя мощность внутри резонатора достигла 1,15 МВт, при этом сохранялась превосходная гауссова основная мода. Это первая в мире опубликованная работа по оптическому резонатору усиления со средней мощностью лазера внутри резонатора на уровне мегаватта, которая заложит прочную основу для развития источника экстремального ультрафиолета на основе стабильного микро-батчинга (SSMB), нелинейного зондирования вакуума в квантовой электродинамике (QED), фотонейтрализации ионных пучков в термоядерном синтезе с магнитным удержанием и развития будущих реакторов инерциального термоядерного синтеза.

Как альтернативный эффективный технический путь, параллельный многоканальному когерентному сложению лазеров, оптический резонатор усиления (Optical enhancement cavity, OEC) способен генерировать лазерное излучение чрезвычайно высокой средней мощности. OEC за счёт сверхвысокоотражающих зеркал резонатора обеспечивает многократное когерентное наложение лазерного излучения внутри резонатора усиления, благодаря чему средняя мощность повышается в тысячи и даже десятки тысяч раз, при этом сохраняется чистая поперечная мода. Благодаря стабильно запасаемому внутри резонатора лазерному полю с высокой средней мощностью, высокой частотой повторения, высоким качеством пучка и высокой фазовой стабильностью OEC стал идеальным инструментом, крайне необходимым для многих передовых научных применений, а более высокая и более стабильная средняя циркулирующая мощность внутри резонатора стала целью, к которой стремится эта область. Однако под влиянием нелинейности тепловой нагрузки оптической системы и эффектов тепловой нестабильности внутри резонатора средняя мощность лазера в резонаторе ограничивается уровнем в сотни кВт и трудно поддаётся дальнейшему повышению.

С целью достижения стабильной работы оптического резонатора усиления со средней мощностью мегаваттного уровня научно-исследовательская группа профессора Янь Лисиня в сотрудничестве с командой профессора Fabian Zomer из IJCLab Университета Париж-Сакле (Франция) провела долгосрочные поисковые исследования. После более чем десяти лет непрерывных усилий исследовательская группа наконец преодолела это давно существовавшее узкое место и впервые реализовала четырёхзеркальный оптический резонатор бантикового типа со средней мощностью лазера свыше 1 МВт, максимальная средняя мощность внутри резонатора достигла 1,15 МВт, впервые были измерены и оценены уровни фазового шума лазера в оптическом резонаторе высокой средней мощности. Что ещё важнее, при сверхвысокой средней мощности мегаваттного уровня лазер внутри резонатора по-прежнему сохранял превосходную гауссову основную моду и превосходную фазовую стабильность. Эти результаты предоставили экспериментальную основу для дальнейшей оптимизации конструкции резонатора, стабильного управления и теплового менеджмента, способствуя дальнейшему повышению производительности системы в будущем и одновременно закладывая прочную основу для передовых применений резонатора во многих фронтирных областях.

Рис. 1 Схема установки оптического резонатора усиления высокой мощности

Схема компоновки экспериментальной установки оптического резонатора усиления высокой средней мощности показана на рис. 1; она состоит из систем инжекции лазера, оптического согласования, обратной связи и диагностики параметров. Лазерное излучение, выводимое источником лазера с низким фазовым шумом, после согласования поперечной моды и юстировки оптической оси инжектируется в четырёхзеркальный оптический резонатор усиления бантикового типа. При различных мощностях инжекции изменение во времени стабильно запасаемой внутри резонатора мощности лазера показано на рис. 2; максимальная средняя мощность внутри резонатора составила 1,15 МВт, эффективный коэффициент усиления превысил 9000. При средней мощности внутри резонатора 1,05 МВт среднеквадратичная стабильность мощности лазера составила 0,3%. Стабильно запасаемая внутри резонатора мода лазера представляла собой чистую гауссову основную моду, как показано на рис. 3, явление вырождения высших мод не наблюдалось. В статье при средней мощности лазера внутри резонатора 500 кВт были измерены уровни фазового шума лазера внутри и вне резонатора, результаты показаны на рис. 4. Кроме того, путём моделирования и количественного анализа термической деформации внутрирезонаторных зеркал и эффекта тепловой линзы в подложке зеркал с точностью суб-ppm уровня был подтверждён сверхнизкий коэффициент поглощения зеркал резонатора.

Рис. 2 Изменение мощности лазера в оптическом резонаторе при различных мощностях инжектируемого лазера

Рис. 3 Мода пучка, измеренная на тракте прошедшего света при средней мощности внутри резонатора 1,15 МВт

Рис. 4 Результаты измерений фазового шума и относительного шума интенсивности инжектируемого лазера и лазера внутри резонатора при средней мощности внутри резонатора 500 кВт

Результаты исследования под названием “Beyond a megawatt of average power in a high-finesse optical enhancement cavity” были опубликованы по пекинскому времени 12 сентября в журнале 《Optica》.

Аспиранты факультета инженерной физики Университета Цинхуа Чжао Янь, Ян Чжоу и аспирантка IJCLab Университета Париж-Сакле Alice Renaux являются соавторами статьи с равным вкладом. Профессор факультета инженерной физики Университета Цинхуа Янь Лисинь и доктор Лю Син (в настоящее время работает в компании Xiong'an Guochuang Center Technology Co., Ltd.) являются соавторами-корреспондентами. Авторами статьи также являются Хуан Юйтун, Лу Синьи, Тянь Цили, Ronic Chiche, Kevin Dupraz, Aurelien Martens, Fabian Zomer, профессор Хуан Вэньхуэй и профессор Тан Чуаньсян и другие исследователи. Исследование получило совместное финансирование по программе выдающихся молодых учёных высших учебных заведений Пекина, в рамках Национальной программы ключевых исследований и разработок, а также Национального фонда естественных наук Китая.