Компоненты фемтосекундных лазеров

Компоненты фемтосекундных лазеров

Введение

Короткоимпульсные лазеры используются в приложении к различным методам спектроскопии, (в частности, времяразрешенной), точной обработки материалов. Современные разработки в этой области направлены на создание лазеров с высокой выходной мощностью. Короткоимпульсные лазеры изготавливаются на основе кристаллов титан-сапфира, для генерации фемтосекундных импульсов используются лазеры на красителях и твердотельные лазеры на основе кристаллов, легированных переходными или редкоземельными металлами (Yb:KGW). Импульсы, длительностью до 100 фс, генерируются благодаря широкополосным дисперсионным линиям задержки с небольшими потерями. Линия задержки традиционно состоит из пары призм, решеток или дисперсионных многослойных отражателей.

Рисунок 1. Уширение импульса при распространении через оптическую среду (схематическое изображение)

Спектральная ширина полосы импульса связана с длительностью импульса по хорошо известной теореме Фурье. Например, ширина спектральной полосы по полувысоте (FWHM) гауссова импульса длиной 100 фс при 800 нм составляет 11 нм. Для более коротких импульсов спектр длин волн становится значительно шире. Импульс 10 фс имеет ширину полосы 107 нм. Если такой широкий импульс проходит через оптическую среду, спектральные составляющие этого импульса распространяются с разными скоростями. Дисперсионные среды, такие как стекло, накладывают на импульс так называемый «положительный чирп» - это означает, что коротковолновые («синие») компоненты «запаздывают» по отношению к длинноволновым («красным») компонентам (см. Схематическое изображение на рисунке 1),

Подобное уширение можно наблюдать, если импульс отражается от диэлектрического зеркала, а ширина спектральной полосы импульса больше или равна ширине полосы отражения зеркала. Широкополосные диэлектрические зеркала, состоящие из двух слоев, также вызывают уширение импульса, поскольку длина пути спектральных составляющих импульса в этих покрытиях различная.

При генерации импульсов до 100 фс важно следить за фазовыми свойствами каждого оптического элемента в достаточно широкой полосе пропускания фемтосекундного лазера. Это относится не только к стретчеру и компрессору импульсов, но также к зеркалам резонатора, выходным соединителям и схеме распространения излучения. Помимо отражательной способности или коэффициента пропускания, также необходимо согласовывать фазовое соотношение между компонентами Фурье-импульса, чтобы избежать уширения.

Рисунок 2. Длина оптического пути синего, зеленого и красного света при прохождении через зеркало с отрицательной дисперсией (схематическое изображение)

Математический анализ фазового сдвига, который применяется к импульсу, показывает, что основными физическими свойствами, которые описывают явление уширения, является дисперсия групповой задержки и дисперсия третьего порядка. Эти свойства определяются как вторая и третья производные от фазы отраженного импульса, взятые по частоте. Специально разработанные диэлектрические зеркала дают возможность наложить «отрицательный чирп» на импульс. Таким образом, положительный фазовый сдвиг, который возникает в результате преломления в кристаллах, окнах, может быть компенсирован. Схематическое изображение на рис.2 объясняет этот эффект как разницу в длинах оптических путей синего, зеленого и красного света в таком зеркале с отрицательной дисперсией.

Все типы зеркал с отрицательной дисперсией демонстрируют колебания в спектре дисперсии групповой скорости. Эти колебания малы для стандартных полос пропускания. Однако широкополосные и суперширокополосные зеркала с отрицательной дисперсией характеризуются сильными скачками дисперсии. Сглаживание этих колебаний производится путем использования пары зеркал со слегка смещенными колебаниями дисперсии, которые компенсируют друг друга. На рис. 3 схематично показаны такая пара зеркал и соответствующие спектры дисперсии групповой задержки.

Дисперсия второго и третьего порядка

Если импульс отражается от диэлектрического зеркала, т.е. от слоев с высоким и низким показателями преломления, будет иметь место фазовый сдвиг между исходным и отраженным импульсами, возникающий из-за временной задержки. В общем случае фазовый сдвиг Φ(ω) вблизи центральной частоты ω₀ может быть разложен в ряд Тейлора:

Φ (ω) = Φ (ω₀) + Φ′ (ω₀) (ω – ω₀) + 1/2 Φ′′(ω₀) (ω – ω₀)2 + 1/6 Φ′′′ (ω₀) (ω – ω₀)3 + …

Производными являются, соответственно, групповая задержка Φ'(ω₀), дисперсия групповой задержки (GDD) Φ''(ω₀) и дисперсия третьего порядка (TOD) Φ'''(ω₀). Применительно к коротким импульсам могут потребоваться численные расчеты. Тем не менее, разложение в ряд ясно показывает физический смысл дисперсии второго и третьего порядков.

Предполагая, что фазовый сдвиг является линейным по частоте (GD≠0, GDD=0 и TOD = 0), отраженный импульс «запаздывает» во времени на величину групповой задержки и масштабируется по амплитуде. Спектр импульсов остается неискаженным. Если GDD ≠ 0, наблюдаются два важных эффекта:

1. Отраженный импульс временно уширяется. Этот эффект расширения зависит только от абсолютного значения GDD. LAYERTEC предлагает «зеркала с низким GDD», с модулем GDD менее 20 фс² в заданном диапазоне длин волн.
2. Импульс становится «чирпированным». Этот эффект зависит от знака дисперсии групповой задержки, так что мгновенная частота может возрасти (положительный чирп, GDD> 0) или понизиться (отрицательный чирп, GDD <0). Это позволяет компенсировать положительные эффекты дисперсии групповой задержки нелинейно-оптических элементов, используя зеркала с отрицательной дисперсией.

Дисперсия третьего порядка определяет также длину импульса и форму импульса (искажение импульса) и становится очень важным фактором при длительности импульса до 20 фс.

Также возможно использование зеркал с отрицательной дисперсией для сжатия импульсов. Эти так называемые зеркала для интерферометра Жира-Турнуа (GTI) успешно используются в титан-сапфировых лазерах, гранатовых(YAG) и KGW-генераторах, волоконных эрбиевых лазерах. Сжатие импульсов в осцилляторах позволяет получать импульсы длительностью около 100 фемтосекунд.
 

Рисунок 3. Зеркала с отрицательной дисперсией

Для каждой длины волны представлены оптические компоненты LAYERTEC с разной величиной отрицательной дисперсии групповой задержки. Помимо этой оптики для спектрального диапазона волн лазеров на основе Ti:Sapphire, Yb:YAG и Yb:KGW, компания также предлагает оптику для генерации высших гармоник, оптику для фемтосекундных лазеров.

©LAYERTEC

Компания INSCIENCE помогает своим заказчикам решать любые вопросы и потребности по продукции LAYERTEC на территории РФ