Селекция импульсов в ультрабыстрых усилителях с положительной обратной связью с использованием ротаторов Фарадея EOT

Импульсы высокой мощности, создаваемые ультрабыстрыми усилителями

Титан-сапфировые лазерные кристаллы широко применяются для генерации ультракоротких импульсов, длительность которых составляет порядка нескольких фс. Генерация возможна в широком спектральном диапазоне (650 - 1100 нм). Необходимо отметить, что параметры большинства современных оптических приборов позволяют охватить область лишь до 800 нм, что заметно ограничивает возможности пользователей.

Титан-сапфировые лазеры отличаются безупречной теплопроводностью и быстротой накачки. Кристаллы в качестве активной среды используются в усилителях, осцилляторах. Генерируемые сигналы отличаются высокой мощностью и множеством уровней энергии. Частота импульсов составляет порядка МГц (и выше) при снижении энергии выхода (до нескольких нДж). Добавив однополосный усилитель к источнику ультракоротких импульсов (осциллятору), например, усилитель чирпированных импульсов, можно расширить диапазон частот до десятков и сотен килогерц. В науке и промышленности в основном оперируют мДж, поэтому целесообразнее использовать многополосные усилители.

Схема типичного многополосного усилителя представлена на рис. 1, это усилитель с распределенной обратной связью. Характеристика «многополосный» означает, что усилитель содержит несколько каналов, проходящих через активную среду, размещенную в оптическом резонаторе. Там же содержится оптический переключатель, который управляет количеством циклов и обеспечивает высокий коэффициент усиления. Ключевой особенностью такого усилителя является возможность селекции импульсов после усиления до необходимого уровня.

Рисунок 1. Схема регенеративного усилителя, содержащая ротатор Фарадея (RF)

Регенеративные усилители предназначены для генерации ультракоротких импульсов, обладающих высокой энергией.

• Многоканальный резонатор обеспечивает высокое усиление и энергию импульсов порядка мДж
• Резонатор имеет такую конфигурацию, что входной и выходной пучок не отклоняются, т. е. траектории следования сигналов совпадают

Следовательно, на выходе резонатора необходимо провести селекцию импульсов, разделить выходные и входные импульсы.

Селекция импульсов производится путем вращения плоскости поляризации в прямом и обратном направлениях. Данным свойством обладают ротаторы (вращатели) Фарадея, которые также устанавливаются в усилители.

Селекция поляризации с помощью ротаторов Фарадея

Вращатель поляризации представляет собой оптически неактивное вещество (в основном вращатели изготавливают из редкоземельных материалов, кристаллов), к которому прикладывают магнитное поле. Эффект, проявляющийся в виде вращения плоскости поляризации проходящего излучения (в случае вращателей Фарадея на 45^о в прямом и обратном направлении) с сохранением состояния самой поляризации, называется эффектом Фарадея.

Низкое поглощение при прямом пропускании и высокий порог повреждения вращателей позволяет интегрировать их в системы, где мощность излучения может достигать 50 Вт.

Выбирая вращатель поляризации для установки в усилитель, необходимо учитывать несколько критериев: диаметр падающего пучка, плотность оптической мощности падающего излучения, среднюю энергию. Также необходимо обращать внимание на пропускательную способность.

Установка вращателя Фарадея 

Вращатель Фарадея в усилителе устанавливается достаточно просто, практически напрямую. Кроме того, в комплекте с любым вращателем идет полная инструкция по установке и включению. Как говорилось выше, при выборе подходящего ротатора нужно учитывать диаметр пучка, оптическую мощность, центральную длину волны и общий диапазон излучения. 

На рис. 1 приводится примерная схема установки ротатора Фарадея в усилительной системе с распределенной обратной связью.

О дисперсии

Дисперсия – это большая проблема ультрабыстрых лазеров, негативно влияющая на длительность импульса, пиковую мощность. Дисперсия возникает при прохождении импульса в активной среде, так как фазовая скорость излучения зависит от длины волны (частоты). Материал, используемый во вращателях Фарадея, характеризуется дисперсией, что неизбежно приводит к уширению профилей импульсов.

В основном титан-сапфировые усиливающие системы создают импульсы длительностью порядка 20 фс, ширина спектральной линии составляет 30 - 40 нм и более.

Фактический частотный диапазон системы, наряду с геометрической длиной вращателя Фарадея, будут определять степень уширения импульсов при прохождении через усилитель. Другая оптика в системе может фактически вносить больше хроматической дисперсии, чем ротатор Фарадея. Таким образом, возникает необходимость компенсации общей величины дисперсии в системе, особенно это актуально в оптике переключения ячеек Поккельса.

Пример использования вращателя Фарадея в усилителе с кристаллом тербий-галлиевого граната показан на рис. 2. Длительность импульсов меняется от 10 фс до 10000 фс, длина волны излучения 800 нм. График показывает дисперсию групповой скорости при излучении длиной волны 800 нм, уравнение Селлмейера для кристалла тербий-галлиевого граната приводится в справочной литературе.

        (1)

где E₀ = 9.223 эВ и E_d = 25.208 эВ, постоянная планка h = 4.135667516 · 10^-15 эВ, скорость света с = 3 · 10⁸ м/с.

Дисперсия групповой скорости – зависимость частотной задержки к различным спектральным составляющим импульса, единицы измерения в основном фс²/м. Уравнение дисперсии групповой скорости:

        (2)

Решая уравнение аналитически для 2-й производной показателя преломления, можно рассчитать дисперсию групповой скорости и затем найти фактическую дисперсию второго порядка для конкретного прибора  β₂. Дисперсия второго порядка соотносится с дисперсией групповой скорости путем умножения GVD на длину материала - в этом случае на длину кристалла тербий-галлиевого граната, используемого в ротаторе Фарадея. Эта информация может использоваться для расчета длительности выходного импульса при заданной длительности входного импульса после прохождения длины материала ротатора. Для случая, когда квадрат длительности входного импульса t₀² намного меньше, чем β₂, можно использовать уравнение для выражения величины уширения импульса, пропорционального β₂ (приводится в справочной литературе).

После проведения необходимых расчетов найденная дисперсия второго порядка β₂  при длине кристалла тербий-галлиевого граната 8 мм составила около 1500 фс². Расчетное уширение при такой величине дисперсии для импульсов в диапазоне 10 - 10000 фс показано на графике ниже. Обратите внимание, что для импульсов длительностью выше 75 фс уширение не является острой проблемой, однако для многих систем с регенеративным усилителем дисперсия в кристалле ротатора Фарадея должна учитываться и компенсироваться.

Рисунок 2. Уширение фемтосекундного импульса излучения с длиной волны 800 нм после прохождения через кристалл тербий-галлиевого граната длиной 8 мм, красная кривая показывает длительность выходных неискаженных импульсов

Заключение

При проектировании лазерных фемтосекундных и пикосекундных систем используются усилители с распределенной обратной связью, осуществляющие селекцию импульсов. В усилителях устанавливаются ротаторы Фарадея, выдерживающие высокие мощности излучения. Для достижения высокой эффективности рекомендуется использовать материалы с низким поглощением.

© Electro-Optics Technology, Inc. 

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