Современные лазеры ультракоротких импульсов

Современные лазеры ультракоротких, фемтосекундных импульсов создают на основе твердотельных активных сред с широкими полосами усиления. Активную среду помещают в неселективный резонатор, содержащий компенсатор дисперсии активной среды. Оптическую накачку таких лазеров осуществляют с помощью эффективного непрерывного вспомогательного лазера: полупроводникового или неодимового с полупроводниковой лазерной накачкой. В частности, титан-сапфировые лазеры накачивают второй гармоникой неодимового лазера l = 0,53 мкм с полупроводниковой накачкой. Никакие методы активной или пассивной «синхронизации мод» для получения режима генерации регулярных ультракоротких импульсов не требуются.

Первые фемтосекундные лазерные системы - лазеры на растворах красителей, (в основном это родамин 6Ж) постепенно сходят со сцены ввиду серъезных конструктивных недостатков. Активная среда и пассивный затвор в таких системах должны представлять собой плоскую ламинарную струю жидкости, а накачку осуществляют излучением газового аргонового лазера, который имеет низкую эффективность. Прокачка активной среды необходима для устранения эффекта фоторазложения молекул красителя.

Весьма перспективными для генерации ультракоротких импульсов представляются поверхностно излучающие (surface-emitting) полупроводниковые лазеры и лазеры на волоконных или микроструктурных световодах с полупроводниковой накачкой. Однако, надежно работающие образцы полупроводниковых лазеров пока не созданы, хотя исследования в этом направлении интенсивно ведутся. Волоконные лазеры ультракоротких субпикосекундных импульсов, работающие в области нулевой дисперсии кварцевого стекла (~ 1,5 мкм) уже имеются на рынке.

 

Таблица 7.1. Некоторые характеристики активных сред, используемых в лазерах ультракоротких импульсов (УКИ)

 

Материал (его сокращенное название)	Диапазон длин волн генерации; центр линии усиления (нм)	Длины Волн лазерной накачки (нм)	Минимальная длительность УКИ (фс)	Сечение поглощения лазерного перехода σ (σ·10 - 20 см2)	Время жизни лазерного перехода (мкс)	Спектральная ширина полосы накачки (нм)
Ti3+:Al2O3 (титан-сапфир)	700...1100; 780	488, 514, 530	5	35	3,5	450…600
Cr3+: LiSrAlF6, (Cr:LiSAF)	800…1050; 846	647,670	20	4,8	67	600…700
Cr4+:Mg2SiO4 (Cr:форстерит)	1130...1370; 1240	1064	25	11	15	850…1150
Cr4+:Y3Al2(AlO4)3 (Cr:YAG)	1350...1580	1064	46
Nd3+ стекло	1055	808	120	4,2	350
Yb3+ стекло	1040	980	20	~ 1	1000
Родамин 6Ж в спиртовом растворе	570…650; 600	514, 530	30	2 ×104	5 ×10-3	480...550

 

В первой колонке указаны общепринятые и сокращенные названия кристаллов и материалов, в которые внедрены ионы, являющиеся активными частицами. Непрерывная накачка осуществляется: на длинах волн 488 и 514 нм – газоразрядным аргоновым лазером; 530 нм – второй гармоникой нерпрерывного неодимового лазера; 647 нм – газоразрядным криптоновым лазером; 670 нм – GaInP полупроводниковым лазером; 808 нм – AlGaAs полупроводниковым лазером, 980 нм - InGaAs полупроводниковым лазером.

 

       Лазер ультракоротких импульсов содержит следующие элементы:

• лазерный резонатор, содержащий набор оптических элементов, которые обеспечивают циркуляцию генерируемого излучения по замкнутому пути;

• широкополосную усиливающую среду;

• систему компенсации дисперсии активной среды и элементов резонатора.

 

 

 

                                        2

 

1              Оптическая накачка      4          3                   2L           2L

 

 

Рис.7.11. Условная схема непрерывного лазера ультракоротких импульсов.

1 – компенсатор дисперсии активной среды, 2 – активная среда, 3 – выходное зеркало лазера. Для устранения влияния задней поверхности зеркала на резонансные частоты резонатора зеркало 3 нанесено на клиновую подложку.

 

       Все отражающие поверхности внутри резонатора лазера должны быть расположены под углом Брюстера. Такой резонатор называют неселективным. В неселективном резонаторе отсутствуют условия для размножения ультракороткиъх импульсов за счет отражений от нормальных к оптической оси поверхностей.

Генерируемый лазером ультракороткий импульс 4 непрерывно циркулирует между зеркалами резонатора 1 - 3. Поэтому выходной луч состоит из бесконечной последовательности импульсов. Период следования импульсов равен времени обхода импульсом лазерного резонатора.

     Принципиально важная часть лазера ультракоротких импульсов – компенсатор дисперсии активной среды. Принцип работы призменного компенсатора дисперсии ясен из рассмотрения рис. 7.12. Для минимизации потерь на отражение грани призмы расположены под углом Брюстера. Поэтому этот компенсатор работает с линейно поляризованным светом (электрический вектор световой волны колеблется в плоскости рисунка). Плавная регулировка оптической разности хода между красными и синими лучами, которая вносится устройством, достигается перемещением первой призмы в направлениях, указанных стрелкой или изменением расстояния между призмами. При этом изменяются расстояния, проходимые лучами разного цвета в стекле.

Оптическое стекло обладает в видимом и ближнем ИК диапазонах спектра нормальной дисперсией (показатель преломления меньше для красного света.  Схема, показанная на рисунке, позволяет осуществлять плавное изменение дисперсионного параметра второго порядка с проходом через ноль. Нулевая дисперсия получается при симметричном расположении призм, когда оптические пути синих и красных лучей в призмах одинаковы.

Рис. 7.12.Схема призменного компенсатора дисперсии.

 

Компенсатор дисперсии по схеме, показанной на рис. 7.12, можно построить также и на основе пары дифракционных решеток. Дифракционные решетки обладают большей угловой дисперсией, чем призмы. Поэтому они обеспечивают компенсацию большего дисперсионного параметра при тех же размерах устройства. В отличие от призменного компенсатора пара решеток создает только отрицательный дисперсионный параметр, то есть длинноволновое излучение имеет большую задержку, чем коротковолновое. Для получения его положительных значений между решетками устанавливают телескопическую систему, переворачивающую изображение. В результате путь, проходимый красными лучами, становится короче, чем для синих.

Недостаток дифракционных решеток - потери излучения на рассеяние (5... 10%). Поэтому пару решеток с телескопом обычно используют не в лазерных резонаторах, а на входе лазера. Такая система позволяет осуществить световую разгрузку усилительных элементов в многокаскадных лазерах. Разгрузка необходима для устранения оптического пробоя выходного торца оптического усилителя.

Первая пара решеток на входе усилительной системы осуществляет дисперсионное расширения во времени фемтосекундного импульса. При этом аплитуда уширенного импульса может быть существенно снижена (см. раздел IX). Это позволяет снизить световую нагрузку на оптический усилитель. Другую пару решеток устанавливают на выходе оптического усилителя для временного сжатия усиленного чирпированного импульса.

Описанные компенсаторы дисперсии способны обеспечивать компенсацию так называемого линейного чирпа, когда мгновенная частота излучения изменяется линейно со временем от начала к концу импульса.

В лазерах предельно коротких импульсов обычно необходимо компенсировать дисперсионные параметры более высоких, чем второй порядок. Один из возможных способов компенсации более сложной дисперсии – установка перед зеркалом, показанном на рис. 10.3, фототранспаранта, изменяющего амплитуду и фазу у различных спектральных компонент излучения.

В любом случае компенсаторы дисперсии не позволяют с точностью до фазы ликвидировать неэквидистантность продольных мод лазерного резонатора.

 В последних моделях лазеров ультракоротких импульсов предпочитают использовать многослойные полупроводниковые структуры, которые наряду с брэгговским многослойным диэлектрическим зеркалом содержат слои полупроводниковых поглотителей. В литературе такие системы называют SESAM (semiconductor saturable absorber mirror).

Конкретная конструкция таких устройств представляет собой секрет фирмы, изготавливающей фемтосекундные лазеры. Примерная схема устройства показана на рис. 7.13. Максимально короткие импульсы длительностью ~ 5 фс, получены непосредственно от титан-сапфирового лазера с SECAM зеркалом без использования дополнительных методов сжатия импульса.

 

 

Рис. 7.13. Примерная структура многослойного SECAM - зеркала фемтосекундного лазера.

SECAM – зеркало изготавливают методами современной полупроводниковой технологии, где возможен точный контроль параметров наносимых слоев. В структуре, показанной на рис. 7.13, последовательность из 22 слоев материалов с высоким и низким показателем преломления образует многослойное широкополосное диэлектрическое зеркало с коэффициентом отражения > 99%. В некоторых конструкциях на зеркало наносят один или несколько слоев поглощающих полупроводниковых материалов InP и InGaAs, которые служат в качестве просветляющихся затворов и компенсаторов дисперсии. Защитная пленка Al₂0₃, нанесенная снаружи, образует просветляющее покрытие. В любом случае параметры SECAM – зеркала оптимизируют эмпирически для заданной конструкции лазера с активным элементом определенной длины, концентрации активных частиц и уровня накачки.

В случае, когда лазер генерирует строго периодическую последовательность одиночных импульсов за время обхода светом лазерного резонатора, говорят, что реализуется режим «полной синхронизации мод». Строгая периодичность следования импульсов обусловлена тем, что внутри лазерного резонатора, работающего в режиме синхронизации мод, циркулирует единственный ультракороткий (часто его называют также сверхкоротким) импульс, рис.7.11. Пространственная протяженность этого импульса значительно меньше длины лазерного резонатора и составляет десятки микрометров. Способ генерации обуславливает основное свойство такого излучения: соседние импульсы в последовательности почти когерентны, поскольку каждый из них является копией предыдущего и отличается только тем, что испытывает один дополнительный обход лазерного резонатора.

 

I                             t_имп

 

 

             Т = 2L/c                                                                                     Время, t

 

I_ν               Δν ~ 1/t_имп

                                                               Огибающая спектра

 

 

   δν = с/2L                                           Частота излучения, ν

 

Рис.7.14. Временная зависимость огибающей интенсивности излучения лазера ультракоротких импульсов I и его спектр.

 

Спектральные линии под огибающей спектра обычно ошибочно называют модами лазерного резонатора. На самом деле эти эквидистантные частоты - результат спектрального разложения строго периодических, когерентных импульсов, испускаемых лазером. Спектральная ширина огибающей спектра излучения лазера Δν примерно обратно пропорциональна длительность отдельного ультракороткого импульса t_имп.

На рис.7.15. приведены характеристики промышленного титан-сапфирового лазера фирмы Spectra Physics. Регистрация автокорреляционной функции излучения этого квазинепрерывного лазера с разрешением интерференционных полос свидетельствует об отсутствии флуктуаций несущей частоты излучения и значительных колебаний амплитуд ультракоротких импульсов. Генерируемые лазером ультракороткие импульсы имеют общую несущую частоту.

 

Рис.7.15. Автокорреляционная функция второго порядка (АКФ) и спектр титан-сапфирового лазера. Под огибающей спектра, показанной на рисунке, находятся сотни тысяч дискретных, строго эквидистантных частот.

 

     Можно считать, что в резонаторе этого лазера удалось полностью осуществить компенсацию дисперсии и чирп в генерируемых импульсах незначителен, так как произведение ширины спектра на длительность импульса (0,44) соответствует гауссовой форме ультракороткого импульса.