ОБЩАЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ТЕХНИКА
УДК 553.9.07+681.723.26+681.787
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО-ДИАГНОСТИЧЕСКИЙ МОДУЛЬ
ДЛЯ СВЕРХСКОРОСТНОЙ КОМБИНИРОВАННОЙ ИНТЕРФЕРОМЕТРИИ ПРОЦЕССОВ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ УЛЬТРАКОРОТКИХ ЛАЗЕРНЫХ ИМПУЛЬСОВ С КОНДЕНСИРОВАННЫМИ СРЕДАМИ В ВАКУУМЕ © 2010 г. Е. Ю. Локтионов, А. В. Овчинников*, Ю. Ю. Протасов, Д. С. Ситников*
Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана Россия, 105005, Москва, ул. 2-я Бауманская, 5 E-mail: stcpe@bmstu.ru *Объединенный институт высоких температур РАН Россия, 125412, Москва, ул. Ижорская, 13, стр. 2 Поступила в редакцию 13.10.2009 г.
Описаны экспериментально-диагностический модуль на основе фемтосекундного лазерного комплекса (т0 5 ~ 45—70 фс, X = 266, 400, 800 нм) и техника эксперимента для сверхскоростного комбинированного интерферометрического исследования процессов взаимодействия ультракоротких лазерных импульсов с конденсированными средами в вакууме. Комбинированный интерференционный микроскоп, собранный по схемам Майкельсона и Маха—Цендера, позволяет исследовать динамику оптико-теплофизических и газодинамических процессов на поверхности мишени (глубину, диаметр кратера, оптические свойства) и в приповерхностном плазменном образовании (скорость разлета частиц, плотность электронов, оптические характеристики) с временным разрешением 5 • 10-14 с в диапазоне задержек 10-13—10-7 с с использованием двух длин волн зондирования (X = 400, 800 нм) в вакууме (до 5 • 10-5 мбар). Установка механизированного затвора в опорном плече интерферометра позволяет получать также теневые фотографии без изменения оптической схемы.
ВВЕДЕНИЕ
При использовании интерференционной микроскопии для исследования оптико-теплофизиче-ских и газодинамических процессов на поверхности мишени, облучаемой лазерным импульсом, для анализа получаемых данных необходимо знать оптические характеристики приповерхностного плазменного образования (п.п.о.), через которое дважды проходит предметный луч. Вклад п.п.о. в интерференционную картину может быть проанализирован теоретически [1] или экспериментально. Экспериментально необходимые для этого данные могут быть получены с использованием еще одного интерферометра, зондирующего п.п.о. параллельно облучаемой поверхности [2]. Однако используемые для характеризации газоплазменных потоков теневые и интерференционные методы не позволяют в полной мере получить количественную оценку распределения параметров, если неизвестны масс-расходные и температурные характеристики потока. Поэтому для повышения полноты и достоверности получаемых данных необходимо применение нескольких бесконтактных экспериментальных методик исследования процессов взаимодействия лазерного излучения с веществом.
В настоящей работе описан экспериментально-диагностический модуль, в котором для исследования п.п.о. используется интерферометрия газоплазменного потока в двух плоскостях и спектрометрия. Кратко представлены полученные в результате комбинации этих методик данные.
ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ
Экспериментально -диагностический модуль (рис. 1, 2) содержит четыре основных блока: Тксапфировый фемтосекундный лазерный тера-ваттный комплекс (Coherent), систему транспортировки и преобразования лазерного излучения, систему регистрации и обработки экспериментальных данных, систему обеспечения заданных газовакуумных условий.
В экспериментах использовалось излучение фемтосекундной тераваттной лазерной системы (рис. 3), которая состояла из задающего генератора 1, стретчера и регенеративного усилителя 2, многопроходного усилителя 3 и светового компрессора 4. Для накачки задающего генератора 1 (Coherent Mira) использовалось излучение непрерывного твердотельного лазера 5 с диодной на-
10
ГХ I
10
^ Металлическое глухое зеркало
/Диэлектрическое зеркало с селективным покрытием
/ Светоделительная пластинка
Оптоволокно
Диафрагма
Интерференционный фильтр Призма Глана
9
2
5
Рис. 1. Оптическая схема экспериментально-диагностического комплекса. 1 — мишень; 2 — И^-лазер; 3 — интерферометр Майкельсона; 4 — интерферометр Маха—Цендера; 5 — оптическая линия задержки; 6 — вакуумная камера; 7— кристалл второй гармоники; 8 — микрообъектив; 9 — фотообъектив; 10 — п.з.с.-камера; 11 — кристалл третьей гармоники; 12 — фотоэлектронный умножитель; 13 — полуволновая пластинка; 14 — объектив оптоволокна; 15 — компактный спектрометр с п.з.с.-линейкой; 16 — механизированная шторка.
Рис. 2. Часть оптической схемы экспериментально-диагностического комплекса, собранная внутри вакуумной камеры.
I
Рис. 3. Блок-схема фемтосекундного лазерного комплекса. 1 — задающий генератор; 2 — блок стретчера и регенеративного усилителя; 3 — многопроходный усилитель; 4 — компрессор; 5 — лазер накачки задающего генератора; 6 — лазер накачки регенеративного усилителя; 7 — лазеры накачки многопроходного усилителя.
качкой (Coherent Verdi V5). Задающий генератор формировал импульсы фемтосекундной длительности на длине волны X = 790 нм с шириной спектра ЛХ = 40 нм по уровню 0.5 от максимального значения интенсивности. Средняя мощность оп-
тического излучения составляла 650 мВт, а энергия отдельного импульса достигала 7 нДж.
В дальнейшем для усиления фемтосекудного лазерного излучения использовался метод усиления чирпированных импульсов (CPA — chirped
pulse amplification). В качестве первого каскада усиления использовался регенеративный усилитель 2 (Coherent Legend) с линейной схемой резонатора, позволяющей увеличить энергию импульса до 1.2 мДж. Частота следования импульсов регенеративного усилителя составляла 1 кГц и определялась лазером накачки 6 (Coherent Evolution 15), формирующим импульсы длительностью т0 5 ~ 500 нс на длине волны X = 532 нм. В качестве оптической развязки между задающим генератором и регенеративным усилителем использовался затвор Фарадея. Контраст по интенсивности между основным импульсом и предымпульсами, выходящими из регенеративного усилителя, составлял ~104.
Для получения эффективного усиления одиночного импульса в многопроходном усилителе и обеспечения более высокого контраста, необходимого для мощных фемтосекундных лазерных систем, а также для уменьшения частоты следования лазерных импульсов до 10 Гц после регенеративного усилителя использовалась схема улучшения контраста, состоящая из двух скрещенных поляризаторов и ячейки Поккельса, расположенной между ними. Эта схема позволяла на три порядка улучшить контраст по интенсивности между основным импульсом и предымпульсами в на-носекундном временном диапазоне. Выходной многопроходный усилитель (4 прохода) увеличивал энергию импульса до 350 мДж при использовании двух лазеров накачки 7 (Positive Light, Continuum) с энергией импульса 750 мДж каждый.
Для достижения высокого качества излучения на выходе усилителя использовалась схема переноса пространственного распределения пучка лазера накачки с торца кристалла второй гармоники на торец активного элемента усилителя. Непосредственно перед усилителем расходимость лазерного пучка корректировалась телескопом для компенсации тепловой линзы, возникающей в активном элементе, а также для увеличения диаметра пучка от прохода к проходу. В результате радиус пучка изменялся от 3 мм на первом проходе до 8 мм после четвертого прохода в многопроходном усилителе.
Для защиты оптических элементов усилительных каскадов от излучения, отразившегося от мишени после многопроходного усилителя, была установлена схема выделения одиночного импульса, состоящая из двух поляризаторов и электрооптического модулятора. Время открытия затвора составляло 15 нс, что позволяло, с одной стороны, пропустить усиленный импульс в оптический компрессор, а с другой — не пропускать световой импульс, отраженный от мишени или образовавшейся плазмы, поскольку время, через которое приходит отраженное излученда, достигало 40 нс.
Сжатие импульса когерентного излучения после усиления происходит в вакуумном оптическом компрессоре, собранном по схеме с двумя
Основные параметры экспериментально-диагностического комплекса
Длина волны греющего импульса 266, 400, 800
(т0.5 ~ 45-70 фс), нм
Длина волны зондирующего им- 400, 800
пульса, нм
Диапазон задержек регистрации 10-13-10-7
(шаг), с (10-13)
Пространственное разрешение <1
по поверхности, мкм
Пространственное разрешение 2 (У200 [4])
по глубине, нм
Пространственное разрешение <1
по потоку, мкм
дифракционными решетками. Перед компрессором размер пучка увеличивался до 30 мм, чтобы обеспечить плотность энергии 100 мДж/см2 (ниже порога разрушения дифракционной решетки). На выходе лазерной системы длительность импульса составляла т0.5 = 35 ± 5 фс с энергией до 250 мДж.
Система транспортировки и преобразования лазерного излучения обеспечивает распределение излучения между трактами воздействия, интерференционной микроскопии и интерферометрии потока и его диагностику, генерацию гармоник в нелинейных кристаллах (BBO), а также интерференцию волновых фронтов в плоскостях чувствительных элементов регистрирующей аппаратуры. При проведении экспериментов энергия импульса первой гармоники достигала E ~ ~ 800 мкДж, обеспечивая в результате в пятне фокусировки размером r0 ~ 20 мкм следующие максимальные значения плотности энергии и мощности лазерного излучения: F1 800 = 42.5 Дж/см2, /i, 800 = 9.4 • 1014 Вт/см2; F2,400 = 15 Дж/см2, ^ 400 = = 2.5 • 1014 Вт/см2; F,^ = 1.5 Дж/см2, /3,266 = = 2.1 • 1013 Вт/см2 — для первой, второй и третьей гармоник соответственно.
Система регистрации и обработки данных состоит из п.з.с.-камер (НПК "Видеоскан"), компактного спектрометра (S-150, Solar LS), оборудования контроля параметров лазерного излучения и персонального компьютера с программным обеспечением для обработки интерферограмм (Phase measurement, ВНИИОФИ) и спектрограмм.
Система обеспечения заданных газовакуумных условий состоит из вакуумной камеры (диаметр 400 мм, высота 300 мм), откачиваемой безмасляным вакуумным агрегатом (TSH 071, Pfeiffer vacuum) до 5 • 10-5 мбар, системы контроля остаточного давления и клапана газового напуска.
В схеме интерференционной микроскопии с временным разреш
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.