Применение автокорреллятора FROG от компании FemtoEasy для измерения ультракоротких импульсов полупроводниковых дисковых лазеров

Частотно-разрешенное оптическое стробирование

В настоящее время значительное внимание уделяется лазерным системам, излучающим ультракороткие импульсы, такие лазеры представляют как научный, так и практический интерес. Однако подобные системы являются весьма чувствительными к юстировке таких составных частей, как оптические элементы резонатора, генерирующие и поглощающие среды, зеркала и т.д., поэтому при их разработке и проектировании требуется постоянный контроль за длительностью излучаемых импульсов. На сегодняшний день наиболее универсальными приборами, позволяющими осуществлять измерение ультракоротких импульсов, являются автокорреляторы, принцип работы которых основан на частотно-разрешенном оптическом стробировании (англ. frequency-resolved optical grating (FROG)).  Суть данного метода заключается в раздвоении исходного импульса, формировании задержки между исследуемым импульсом и его копией, объединении исходного импульса и задержанной копии в нелинейной среде, регистрации спектра второй гармоники, генерируемой в нелинейной среде при объединении исходного импульса и его копии. FROG позволяет получать информацию о временной развертке интенсивности и фазы исследуемых ультракоротких лазерных импульсов. Линейка продукции компании FemtoEasy включает в себя автокорреляторы FROG (рис. 1), позволяющие проводить измерение длительности таких импульсов. Ключевые конструктивные особенности этих автокорреляторов, такие как технология разделения волнового фронта и встроенный мини-спектрометр, делают его простым в эксплуатации и обеспечивают высокий уровень точности. В настоящей статье будет рассмотрено применение автокоррелятора FROG для измерения длительности импульсов, генерируемых полупроводниковыми дисковыми лазерами с оптической накачкой.

Рисунок 1. Автокоррелятор FROG от компании FemtoEasy

Измерение ультракоротких импульсов полупроводниковых дисковых лазеров

Полупроводниковые дисковые лазеры с оптической накачкой (англ. semiconductor disk lasers (SDL)) обеспечивают превосходную производительность при средней выходной мощности, а также широкий диапазон рабочих длин волн.  Пассивная синхронизация мод SDL с использованием полупроводниковых зеркал с насыщаемым поглотителем (англ. semiconductor saturable absorber mirrors (SESAM)) продемонстрировала впечатляющий прогресс за последние годы.  Поверхностно-излучающий лазер с вертикальным внешним резонатором с оптической накачкой (англ. vertical external-cavity surface-emitting laser (VECSEL)) был первым лазером в семействе полупроводниковых дисковых лазеров, который продемонстрировал значительное масштабирование мощности благодаря превосходному отводу тепла в геометрии тонкого диска. Ниже будет рассмотрено измерение длительности импульсов, излучаемых VECSEL с синхронизацией SESAM на длине волны 1034 нм.

Для доказательства стабильной фундаментальной синхронизации мод требуется тщательная характеристика импульса. На рис. 2 и рис. 3 представлены результаты измерения характеристик импульсов длительностью 128 фс и 96 фс соответственно. Длительность импульсов была измерена с применением автокоррелятора FROG. Измеренные спектрограммы были преобразованы в сетку размером 512 на 512 точек (рис. 2а) и 1024 на 1024 точек (рис. 3а). Автокорреляционные функции интенсивности находятся в приемлемом соответствии с аппроксимацией формы импульсов по закону sech² (рис. 2d и рис. 3d), при этом автокорреляционные сканы на большие участки показывают, что дополнительные боковые импульсы отсутствуют (вставка на рис. 2d и рис. 3d).

Формирование импульсов длительностью 96 фс осуществлялось путем сжатия первоначально отрицательных чирпированных выходных импульсов длительностью 107 фс при прохождении через пластину селенида цинка толщиной 2 мм, вносящей положительную дисперсию групповой задержки 1350 фс².  Рис. 3d показывает автокорреляцию как выходных импульсов длительностью 107 фс, так и сжатых импульсов длительностью 96 фс.

Сглаженный спектр синхронизации мод перекрывается со спектром, полученным с применением автокоррелятора FROG (рис. 2е и рис. 3е), и не имеет разрывов, что дополнительно показано в логарифмическом масштабе (рис. 2f и рис. 3f). «Результат 128 фс» близок к ограниченному преобразованию со спектральной шириной полосы 9.48 нм, соответствующей произведению на ширину полосы времени 0.345, что в 1.09 раза больше значения для формы импульса, аппроксимированного функцией sech². Широкий спектр 17.5 нм «результата 96 фс» соответствует произведению ширины полосы во времени на 0.472, то есть в 1.47 раза больше идеального значения для формы импульса, аппроксимированной функцией sech².

Рисунок 2. «Результат 128 фс»: характеристика синхронизации мод импульсов длительностью 128 фс при средней выходной мощности 80 мВт, пиковой мощности 303 Вт и частоте повторения импульсов 1.81 ГГц: а) измеренная спектрограмма FROG, b) полученная спектрограмма FROG, c) полученный профиль интенсивности и фазы во времени, d) автокорреляция интенсивности с аппроксимацией функцией sech² (вставка: автокорреляция с большим интервалом без каких-либо сопровождающих импульсов), e) извлеченный спектр и спектральная фаза с перекрытием оптическим спектром с шириной полосы FWHM 9.48 нм

Рисунок 3. «Результат 96 фс»: характеристика синхронизации мод импульсов длительностью 96 фс при средней выходной мощности 100 мВт, пиковой мощности 560 Вт и частоте повторения импульсов 1.63 ГГц: а) измеренная спектрограмма FROG, b) полученная спектрограмма FROG, c) полученный профиль интенсивности и фазы во времени, d) автокорреляции интенсивности с аппроксимацией функцией sech² для импульсов длительностью 107 фс и 96 фс (вставка: автокорреляция с большим интервалом без каких-либо сопровождающих импульсов), e) извлеченный спектр и спектральная фаза с перекрытием оптическим спектром с шириной полосы FWHM 17.5 нм

Выводы

Комплексная характеристика импульсов подтверждает фундаментальную синхронизацию мод с выходными импульсами длительностью 128 фс, близкими к ограниченному преобразованию, и с отрицательно чирпированными выходными импульсами длительностью 107 фс, сжатыми до 96 фс с применением пластины селенида цинка толщиной 2 мм, установленной на оптическом пути исходного импульса. Моделирование импульсов хорошо согласуется с экспериментальными результатами. Таким образом, автокоррелятор FROG от компании FemtoEasy является надежным и точным инструментом, позволяющим производить измерение длительности ультракоротких импульсов.

Optica 3, 8 (2016) 844
IEEE J. Quantum Electron 55, 4 (2019) 8600107