Генерация излучения с перестраиваемым гребенчатым спектром в кольцевых волоконных резонаторах на основе активных фотонно-кристаллических структур

А. С. Абрамов, Д. А. Коробко, В. А. Лапин, П. П. Миронов

  • А.С.Абрамов, Д.А.Коробко, В.А.Лапин, П.П.Миронов. Ульяновский государственный университет, Россия, 432970 Ульяновск, ул. Л. Толстого 42; e-mail: aleksei__abramov@mail.ru
Аннотация: Рассмотрена генерация излучения, имеющего гребенчатый спектр в кольцевом волоконном резонаторе с гармонической синхронизацией мод, обеспечивающейся за счет диссипативного четырехволнового смешения. Основным элементом резонатора лазерной системы является усиливающий одномерный фотонный кристалл, сочетающий в себе свойства внутрирезонаторного фильтра и усилителя мощности. На основе стандартных уравнений распространения, описывающих преобразование сигнала в кольцевом резонаторе и выходном волоконном каскаде, показана возможность применения предложенной модели в качестве генератора широкополосной гребенки частот с управляемой частотой следования генерируемых сигналов.
    Ключевые слова: гармоническая синхронизация мод, диссипативное четырехволновое смешение, оптические импульсы с высокой частотой повторения, активная фотонно-кристаллическая структура, фотонная запрещенная зона, генерация гребенчатого спектра.
      Поступила в редакцию: 06.09.2023
      Принята в печать: 21.11.2023
        Образец цитирования: Абрамов А.С., Коробко Д.А., Лапин В.А., Миронов П.П., “ Генерация излучения с перестраиваемым гребенчатым спектром в кольцевых волоконных резонаторах на основе активных фотонно-кристаллических структур”, Квантовая электроника, 53 (9), 677–683 (2023).

        Скачать (.pdf)

        Концентрация и распространение сверхсильных лазерно-генерируемых терагерцевых полей на микропроволочной мишени

        А. С. Куратов, А. В. Брантов, В. Ю. Быченков

        • А.С.Куратов, А.В.Брантов, В.Ю.Быченков. Всероссийский НИИ автоматики им. Н.Л.Духова, Россия, 127030 Москва, Сущевская ул., 22; Физический институт им. П.Н.Лебедева РАН, Россия, 119991 Москва, Ленинский просп., 53; Федеральный исследовательский центр Институт прикладной физики РАН, Россия, 603950 Н.Новгород, ул. Ульянова, 46; e-mail: kuratov.andrew@yandex.ru, brantovav@lebedev.ru, bychenkovvy@lebedev.ru
        Аннотация: Воздействие мощного короткого лазерного импульса установки XCELS на твердотельные металлические мишени разных конструкций и размеров дает возможность получать самые мощные и обладающие рекордно высокой энергией терагерцевые (ТГц) импульсы. Их дальнейшее применение и использование связано с необходимостью фокусировки и транспортировки, что требует развития соответствующих элементов управления получаемыми мощными ТГц импульсами. В этой связи интерес представляет использование мишеней, которые, с одной стороны, являются элементом источника излучения, а с другой стороны способны коллимировать и транспортировать энергию ТГц излучения. На этом пути перспективной выглядит мишень в виде тонкой проволоки. Проведено численное моделирование процесса генерации ТГц импульса при взаимодействии лазерных импульсов установки XCELS с металлической мишенью цилиндрической формы (микропроволокой). Показано, что ТГц излучение генерируется в уникальной форме, как униполярный импульс, а микропроволочная мишень позволяет концентрировать значительную часть излучения у своей поверхности и транспортировать его, также в форме униполярного приповерхностного импульса, со скоростью света вдоль проволоки на большие расстояния со слабым затуханием.
          Ключевые слова: мощные терагерцевые приповерхностные импульсы, транспортировка терагерцевого излучения, микропроволочные лазерные мишени.
            Поступила в редакцию: 30.11.2022
            Принята в печать: 30.11.2022
              Образец цитирования: Куратов А.С., Брантов А.В., Быченков В.Ю., “Концентрация и распространение сверхсильных лазерно-генерируемых терагерцевых полей на микропроволочной мишени”, Квантовая электроника, 53 (3), 278–284 (2023).

              Скачать (.pdf)

              Генерация узкополосного ТГц излучения за счёт столкновения в плазме лазерных кильватерных волн с мелкомасштабной поперечной структурой

              Е. П. Волчок, В. В. Анненков, Е. А. Берендеев, И. В. Тимофеев

              • Е.П.Волчок, Е.А.Берендеев, И.В.Тимофеев. Институт ядерной физики им. Г.И.Будкера СО РАН, Россия, 630090 Новосибирск, просп. Акад. Лаврентьева, 11; e-mail: timofeev@ngs.ru
                В.В.Анненков. Институт ядерной физики им. Г.И.Будкера СО РАН, Россия, 630090 Новосибирск, просп. Акад. Лаврентьева, 11; Федеральный исследовательский центр Институт прикладной физики РАН, Россия, 603950 Н.Новгород, ул. Ульянова, 46
              Аннотация: Рассмотрен новый метод генерации мощного узкополосного терагерцевого излучения в процессе нелинейного взаимодействия встречных лазерных кильватерных волн, профили потенциала в которых модулированы в поперечном направлении и локально не совпадают друг с другом. Показано, что для достижения высокой эффективности излучения на удвоенной плазменной частоте период такой модуляции должен совпадать с длиной генерируемой электромагнитной волны. Каждую из плазменных волн с такой мелкомасштабной поперечной структурой предлагается создавать парой интерферирующих лазерных импульсов, распространяющихся под малым углом друг к другу. Численное моделирование методом частиц в ячейках подтверждает возможность достижения в такой схеме узкой (2 %) спектральной линии излучения и высокой эффективности преобразования энергии на уровне 1 %. При проектных параметрах XCELS предложенный метод открывает путь к достижению рекордного тераваттного уровня мощности излучения в ТГц диапазоне частот.
                Ключевые слова: терагерцевое излучение, плазменные колебания, лазерный импульс, проект XCELS.
                  Поступила в редакцию: 30.11.2022
                  Принята в печать: 30.11.2022
                    Образец цитирования: Волчок Е.П., Анненков В.В., Берендеев Е.А., Тимофеев И.В., “Генерация узкополосного ТГц излучения за счёт столкновения в плазме лазерных кильватерных волн с мелкомасштабной поперечной структурой”, Квантовая электроника, 53 (3), 272–277 (2023).

                    Скачать (.pdf)

                    Генерация мощного излучения терагерцевого диапазона с помощью интенсивных фемтосекундных лазерных импульсов

                    Н. Д. Бухарский, Р. К. Куликов, Ф. А. Корнеев

                    • Н.Д.Бухарский, Ф.А.Корнеев. Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ», Россия, 115409 Москва, Каширское ш., 31; Федеральный исследовательский центр Институт прикладной физики РАН, Россия, 603950 Н.Новгород, ул. Ульянова, 46; Физический институт им. П.Н.Лебедева, Россия, 119991 Москва, Ленинский просп., 53; e-mail: n.bukharskii@gmail.com
                      Р.К.Куликов. Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ», Россия, 115409 Москва, Каширское ш., 31; Федеральный исследовательский центр Институт прикладной физики РАН, Россия, 603950 Н.Новгород, ул. Ульянова, 46
                    Аннотация: Рассмотрен процесс генерации сверхмощного контролируемого излучения терагерцевого диапазона разрядными токами, возбуждаемыми при облучении мультипетаваттными лазерными импульсами протяжённой мишени заданной геометрии. Показано, что использование нескольких лазерных импульсов позволяет пропорционально увеличить интенсивность излучаемых терагерцевых импульсов при коэффициенте преобразования излучения порядка нескольких процентов. Предложена схема интерференционного усиления терагерцевых импульсов в заданном направлении при синхронном облучении нескольких идентичных мишеней.
                      Ключевые слова: терагерцевое излучение, фемтосекундные лазерные импульсы, разрядные токи.
                        Поступила в редакцию: 30.11.2022
                        Принята в печать: 30.11.2022
                          Образец цитирования: Бухарский Н.Д., Куликов Р.К., Корнеев Ф.А., “Генерация мощного излучения терагерцевого диапазона с помощью интенсивных фемтосекундных лазерных импульсов”, Квантовая электроника, 53 (3), 265–271 (2023).

                          Скачать (.pdf)

                          Генерация терагерцевого излучения с экстремальными параметрами с использованием мультипетаваттного лазерного пучка

                          Д. А. Горлова, И. Н. Цымбалов, К. А. Иванов, А. Б. Савельев

                          • Д.А.Горлова, И.Н.Цымбалов. Московский государственный университет им. М.В.Ломоносова, физический факультет, Россия, 119991 Москва, Ленинские горы, 1, стр. 2; Институт ядерных исследований РАН, Россия, 117312 Москва, просп. 60-летия Октября, 7а; e-mail: gorlova.da14@physics.msu.ru
                            К.А.Иванов. Институт ядерных исследований РАН, Россия, 117312 Москва, просп. 60-летия Октября, 7а; Физический институт им. П.Н.Лебедева РАН, Россия, 119991 Москва, Ленинский просп., 53
                            А.Б.Савельев-Трофимов. Московский государственный университет им. М.В.Ломоносова, физический факультет, Россия, 119991 Москва, Ленинские горы, 1, стр. 2; Физический институт им. П.Н.Лебедева РАН, Россия, 119991 Москва, Ленинский просп., 53
                          Аннотация: Проведено численное моделирование взаимодействия лазерного импульса с пиковой мощностью 15 ПВт с твердотельной мишенью-пленкой в режимах отражения и прохождения. Получены частотно-угловые спектры излучения в терагерцевом (ТГц) диапазоне, а также параметры ускоренных электронов для этих случаев. Безразмерная напряженность ТГц поля составляет единицы a0 , что при фокусировке позволит достичь релятивистских интенсивностей в ТГц диапазоне.
                            Ключевые слова: лазерно-плазменные ускорители, PIC-моделирование, ТГц излучение, когерентное переходное излучение.
                              Поступила в редакцию: 30.11.2022
                              Принята в печать: 30.11.2022
                                Образец цитирования:Горлова Д.А., Цымбалов И.Н., Иванов К.А., Савельев А.Б., “Генерация терагерцевого излучения с экстремальными параметрами с использованием мультипетаваттного лазерного пучка”, Квантовая электроника, 53 (3), 259–264 (2023).

                                Скачать (.pdf)

                                Лазерный источник сверхмощного терагерцевого излучения

                                А. С. Куратов, А. В. Брантов, В. Ф. Ковалев, В. Ю. Быченков

                                • А.С.Куратов, А.В.Брантов, В.Ю.Быченков. Всероссийский НИИ автоматики им. Н.Л.Духова, Россия, 127030 Москва, Сущевская ул., 22; Физический институт им. П.Н.Лебедева РАН, Россия, 119991 Москва, Ленинский просп., 53; Федеральный исследовательский центр Институт прикладной физики РАН, Россия, 603950 Н.Новгород, ул. Ульянова, 46; e-mail: kuratov.andrew@yandex.ru, brantovav@lebedev.ru, bychenkovvy@lebedev.ru
                                  В.Ф.Ковалев. Всероссийский НИИ автоматики им. Н.Л.Духова, Россия, 127030 Москва, Сущевская ул., 22; Федеральный исследовательский центр Институт прикладной физики РАН, Россия, 603950 Н.Новгород, ул. Ульянова, 46; Институт прикладной математики им. М.В.Келдыша РАН, Россия, 125047 Москва, Миусская пл., 4
                                Аннотация: Сверхмощные источники излучения терагерцевого (ТГц) диапазона востребованы в различных областях науки и техники, что является мотивацией для проведения соответствующих работ на инфраструктуре XCELS. С этой целью дается расчетно-теоретическое обоснование возможности достижения рекордных параметров лазерно-инициированных ТГц импульсов, генерируемых при взаимодействии лазерного пучка XCELS с плоской металлической мишенью (фольгой). Такие импульсы возникают вследствие переходного излучения электронов, ускоренных полем лазерного импульса, покидающих мишень с ее тыльной стороны. При этом происходит генерация уникальных (униполярных) интенсивных импульсов ТГц излучения в вакуум, мощность и энергия которых ограничена только мощностью исходного лазерного импульса. Теоретически и с использованием численного моделирования показано, каким образом взаимодействие с мишенью лазерного импульса установки XCELS позволит получать высокоинтенсивные ТГц импульсы рекордных мощности (10 – 50 ТВт) и энергии (1 – 5 Дж), распространяющиеся как в окружающем пространстве, так и по поверхности проводящей мишени.
                                  Ключевые слова: лазерное ускорение пучков электронов, переходное излучение, мощные ТГц униполярные импульсы.
                                    Поступила в редакцию: 30.11.2022
                                    Принята в печать: 30.11.2022
                                      Образец цитирования: Куратов А.С., Брантов А.В., Ковалев В.Ф., Быченков В.Ю., “Лазерный источник сверхмощного терагерцевого излучения”, Квантовая электроника, 53 (3), 253–258 (2023).

                                      Скачать (.pdf)

                                      Источник тормозного гамма-излучения и гамма-радиография на основе ускоренных электронов в режиме релятивистского самозахвата света

                                      М. Г. Лобок, А. В. Брантов, В. Ю. Быченков

                                      • М.Г.Лобок, А.В.Брантов, В.Ю.Быченков.Физический институт им. П.Н.Лебедева РАН, Россия, 119991 Москва, Ленинский просп., 53; Всероссийский научно-исследовательский институт автоматики им. Н.Л.Духова, Россия, 127030 Москва, Сущевская ул., 22; Федеральный исследовательский центр Институт прикладной физики РАН, Россия, 603950 Н.Новгород, ул. Ульянова, 46; e-mail: mglobok@me.com
                                      Аннотация: Инфраструктура XCELS способна обеспечить прорыв в создании рекордно мощного источника гамма-излучения с использованием лазерно-ускоренных электронных пучков. В обоснование этого проведено численное моделирование воздействия короткого лазерного импульса установки XCELS на мишени низкой плотности и выполнен расчет торможения генерируемого сгустка электронов в мишени-конвертере с получением мощного импульса гамма-излучения. Высокая эффективность генерации рекордного числа гамма-квантов с энергией на уровне мульти-МэВ с огромным пиковым потоком обусловлена использованием режима релятивистского самозахвата лазерного импульса как драйвера такого кильватерного ускорения электронов, которое обеспечивает достижение максимального заряда ускоренных до мульти-МэВ электронов и максимального коэффициента конверсии в них лазерной энергии в мишенях околокритической плотности. Продемонстрированы возможность конвертировать до 8 % лазерной энергии в энергию пучка гамма-квантов (с энергией больше 1 МэВ) и перспективы использования полученного источника для проведения глубокой гамма-радиографии за один лазерный выстрел. Последнее также обосновано численным экспериментом по получению гамма-изображений плотных скрытых объектов с рекордной на сегодняшний день толщиной экранировки (до 400 мм железа, что соответствует погонной плотности 320 г/cм2) с хорошим контрастом (высоким пространственным разрешением).
                                        Ключевые слова: лазерный источник электронов, тормозное излучение, мощные импульсы гамма-излучения, глубокая гамма-радиография.
                                          Поступила в редакцию: 30.11.2022
                                          Принята в печать: 30.11.2022
                                            Образец цитирования: Лобок М.Г., Брантов А.В., Быченков В.Ю., “Источник тормозного гамма-излучения и гамма-радиография на основе ускоренных электронов в режиме релятивистского самозахвата света”, Квантовая электроника, 53 (3), 248–252 (2023).

                                            Скачать (.pdf)

                                            Сверхъяркий лазерный источник гамма-излучения на основе бетатронного механизма

                                            О. Е. Вайс, М. Г. Лобок, В. Ю. Быченков

                                            • О.Е.Вайс, М.Г.Лобок, В.Ю.Быченков.Физический институт им. П.Н.Лебедева РАН, Россия, 119991 Москва, Ленинский просп., 53; Всероссийский научно-исследовательский институт автоматики им. Н.Л.Духова, Россия, 127030 Москва, Сущевская ул., 22; Федеральный исследовательский центр Институт прикладной физики РАН, Россия, 603950 Н.Новгород, ул. Ульянова, 46; e-mail: ovais@lebedev.ru
                                            Аннотация: Рассмотрен процесс генерации синхротронного излучения в плазме околокритической плотности в режиме релятивистского самозахвата распространяющегося лазерного импульса применительно к параметрам установки XCELS. Такой режим распространения обеспечивает ускорение электронов с предельно большим суммарным зарядом (на уровне нескольких десятков нанокулонов) до гигаэлектронвольтных энергий, что определяет очень высокую яркость синхротронного излучения. На основе расчета запаздывающих потенциалов проведены исследования пространственно-временных и спектрально-угловых характеристик вторичного гамма-излучения. Продемонстрировано, что лазерные импульсы установки XCELS позволят генерировать направленное вторичное излучение с энергией фотонов вплоть до 10 МэВ (и выше) и яркостью, превышающей 1023 фотон.·с–1·мм–2·мрад–2 (при Δλ/λ = 0.1 %), которая оказывается больше яркости тормозного гамма-источника для тех же самых параметров лазера. Это открывает перспективы использования бетатронного источника для фазово-контрастной микроскопии глубоко экранированных объектов.
                                              Ключевые слова: лазерно-плазменное ускорение частиц, режим релятивистского самозахвата лазерного импульса, синхротронное излучение, гамма-излучение.
                                                Поступила в редакцию: 30.11.2022
                                                Принята в печать: 30.11.2022
                                                  Образец цитирования: Вайс О.Е., Лобок М.Г., Быченков В.Ю., “Сверхъяркий лазерный источник гамма-излучения на основе бетатронного механизма”, Квантовая электроника, 53 (3), 242–247 (2023).

                                                  Скачать (.pdf)

                                                  Яркие источники ультрарелятивистских частиц и гамма-квантов для междисциплинарных исследований

                                                  Н. Е. Андреев, И. Р. Умаров, В. С. Попов

                                                  • Н.Е.Андреев, И.Р.Умаров.Объединенный институт высоких температур РАН, Россия, 125412 Москва, Ижорская ул., 13, стр. 2; Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет), Россия, 141701 Московская обл., Долгопрудный, Институтский пер., 9; Федеральный исследовательский центр Институт прикладной физики РАН, Россия, 603950 Н.Новгород, ул. Ульянова, 46; e-mail: andreev@ras.ru
                                                    В.С.Попов.Объединенный институт высоких температур РАН, Россия, 125412 Москва, Ижорская ул., 13, стр. 2; Федеральный исследовательский центр Институт прикладной физики РАН, Россия, 603950 Н.Новгород, ул. Ульянова, 46
                                                  Аннотация: Рассмотрена возможность генерации сильноточных пучков ультрарелятивистских электронов, ускоряемых в режиме прямого лазерного ускорения, и их применения в междисциплинарных исследованиях. Ключевые подходы основаны на результатах моделирования и выполненных экспериментов по взаимодействию релятивистски интенсивных лазерных импульсов с крупномасштабной плазмой околокритической плотности, созданной с использованием аэрогелей низкой плотности. Применение совокупности лазерных импульсов ЦИЭС (XCELS) позволит достичь эффективности генерации частиц (электронов, позитронов, протонов, нейтронов) и квантов жесткого излучения в диапазоне энергий в десятки МэВ, на порядки превышающей существующие рекордные значения.
                                                    Ключевые слова: лазерно-плазменное взаимодействие, плазма с концентрацией, близкой к критической, прямое лазерное ускорение электронов, эффективные источники вторичного излучения и частиц.
                                                      Поступила в редакцию: 30.11.2022
                                                      Принята в печать: 30.11.2022
                                                        Образец цитирования: Андреев Н.Е., Умаров И.Р., Попов В.С., “Яркие источники ультрарелятивистских частиц и гамма-квантов для междисциплинарных исследований”, Квантовая электроника, 53 (3), 236–241 (2023).

                                                        Скачать (.pdf)

                                                        Лазерная мезонная фабрика

                                                        А. В. Брантов, М. Г. Лобок, В. Ю. Быченков

                                                        • А.В.Брантов, М.Г.Лобок, В.Ю.Быченков.Физический институт им. П.Н.Лебедева РАН, Россия, 119991 Москва, Ленинский просп., 53; Всероссийский научно-исследовательский институт автоматики им. Н.Л.Духова, Россия, 127030 Москва, Сущевская ул., 22; Федеральный исследовательский центр Институт прикладной физики РАН, Россия, 603950 Н.Новгород, ул. Ульянова, 46; e-mail: brantovav@lebedev.ru, bychenkovvy@lebedev.ru, mglobok@me.com
                                                        Аннотация: Современные разрабатываемые лазерные установки типа XCELS могут стать хорошим дополнением к традиционным мезонным фабрикам, обеспечивая высокие потоки импульсов элементарных частиц, рождаемых при облучении мишеней-конвертеров пучком электронов или протонов, ускоренным лазерным импульсом. Обоснованием этого служат проведенное численное моделирование генерации сильноточных пучков заряженных частиц при воздействии фемтосекундного лазерного импульса установки XCELS либо на плазму околокритической плотности, либо на более плотную (но все еще низкоплотную) плазму, и последующий расчет выхода мезонов из мишени-конвертера. Такое сквозное моделирование, проведенное с помощью метода частица-в-ячейке (PIC-кодами) и метода Монте-Карло (кодом GEANT4), позволило количественно характеризовать рождение пионов, мезонов, каонов и даже более экзотических элементарных частиц. Так, например, число рождающихся пионов для параметров лазерного импульса установки XCELS предсказывается на уровне порядка 108 частиц за выстрел. Выполнен также расчет выхода быстрых нейтронов, число которых превысило 1011 частиц.
                                                          Ключевые слова: лазерное ускорение электронов/ионов, лазерный источник нейтронов, производство пионов, монте-карло-моделирование кодом GEANT4.
                                                            Поступила в редакцию: 30.11.2022
                                                            Принята в печать: 30.11.2022
                                                              Образец цитирования: Брантов А.В., Лобок М.Г., Быченков В.Ю., “Лазерная мезонная фабрика”, Квантовая электроника, 53 (3), 230–235 (2023).

                                                              Скачать (.pdf)