Coherent stacking of picosecond laser pulses in a high-Q optical cavity for accelerator applications

Abstract

We have performed the harmonic analysis of the steady-state coherent pulse-stacking process in a high-Q Fabry-Perot cavity. The expression for the stacked pulse shape is obtained as a function of both the laser cavity and pulse-stacking cavity parameters. We have also estimated the pulse power gains attainable in the laser-optical system of NESTOR storage ring, which is under development at Kharkov Institute of Physics and Technology. It is shown that high power gains (~10⁴) can be, in principle, achieved in a cavity, formed with low-absorption, high reflectivity (R ~ 0.9999) mirrors, if the laser cavity length will differ exactly by half wavelength from the pulse-stacking cavity length. It implies development of the sophisticated frequency stabilization loop for maintaining the cavity length constant within a sub-nanometer range. At the same time, power gains of ~10³ can be obtained with medium reflectivity mirrors (R ~ 0.999) at considerably lower cost.

Ми виконали гармонічний аналіз стаціонарного процесу когерентного накопичення лазерних імпульсів у високодобротному резонаторі Фабрі-Перо. Одержані співвідношення, що описують форму накопиченого імпульсу в залежності від параметрів лазерного резонатору та резонатору, що накопичує. Ми також оцінили коефіцієнт накопичення енергії в імпульсі, що може бути одержаний у лазерно-оптичній системі накопичувача НЕСТОР, що розроблюється в ННЦ ХФТІ. Показано, що коефіцієнт накопичення (~10⁴) може бути, в дійсності, одержаний у резонаторі, що створений дзеркалами с малим поглиненням і високим коефіцієнтом віддзеркалення ~ 0.9999, якщо довжина лазерного резонатора буде відрізнятись від довжини резонатора, що накопичує, рівно на половину довжини хвилі лазерного випромінювання. Це підрозумлює необхідність створення дуже складної та дорогої системи стабілізації частоти, що має безперервно контролювати довжину резонатора з суб-нанометровою точністю. У той же час, коефіцієнт накопичення ~10³ може бути одержаний з дзеркалами, що мають коефіцієнт віддзеркалення R~0.999, зі значно меншими витратами.

Мы выполнили гармонический анализ стационарного процесса когерентного накопления лазерных импульсов в высокодобротном резонаторе Фабри-Перо. Получены выражения, описывающие форму накопленного импульса в зависимости от параметров лазерного и накапливающего резонаторов. Мы также оценили коэффициент накопления мощности в импульсе, который может быть получен в лазерно-оптической системе накопителя НЕСТОР, разрабатываемого в ННЦ ХФТИ. Показано, что коэффициент накопления (~10⁴) может быть, в принципе, получен в резонаторе, образованном зеркалами с малым поглощением и высоким коэффициентом отражения (~ 0.9999), если длина лазерного резонатора будет отличаться от длины накапливающего резонатора ровно на половину длины волны лазерного излучения. Это подразумевает необходимость создания очень сложной и дорогой системы стабилизации частоты, которая способна непрерывно контролировать длину резонатора с суб-нанометровой точностью. В то же время, коэффициент накопления ~10³ может быть получен с зеркалами, имеющими коэффициент отражения R~0.999, с существенно меньшими затратами.