Лазеры сверхкоротких импульсов (продолжение)

1. Лекция 11

Лазеры сверхкоротких импульсов
(продолжение)

2. СКИ получаются при синхронизации аксиальных мод

СКИ получаются
при
Обычные SA
- слишком
синхронизации
аксиальных
мод
медленно
релаксируют

3. Быстро релаксирующие нелинейные устройства

«Керровская линза» (Kerr Lens Mode
locking)
Таким образом, в нашем распоряжении имеется насыщающийся
поглотитель с нужными свойствами.
Однако прежде, чем переходить к описанию конструкции и
работы лазеров СКИ, рассмотрим некоторые важные условия ,
позволяющие достичь в резонаторе предельно короткие
длительности импульсов, определяемые их спектральной
шириной (Fourier-determined pulse duration).
02.04.2015
3

4. Для получения СКИ нужно складывать ЭМ поля с синхронизированными эквидистантными частотами

Из-за наличия дисперсии n(f) оптическая длина
резонатора становится зависимой от частоты l l(f) ,
и эквидистантность генерирующих аксиальных мод
нарушается результирующий импульс удлиняется
02.04.2015
4

5. Дисперсия (1)

Наличие дисперсии приводит
к расплыванию волнового
пакета при его
распространении в среде

6. Дисперсия (2)

Наличие дисперсии приводит к
расплыванию волнового пакета
при его распространении в
среде
Пусть вдоль оси x распространяются две плоских волны:
Их сумма есть:

7. Дисперсия (4)

Наличие дисперсии приводит к
расплыванию волнового пакета
Дисперсия
(4)в
при его
распространении
среде

8. Дисперсия (4)

Наличие дисперсии приводит к
расплыванию волнового пакета
Дисперсия
(4)в
при его
распространении
среде
В вакууме:
Групповая скорость - движение max
огибающей – м.б.найдена из условия
постоянства фазы огибающей

9. Дисперсия (4)

Наличие дисперсии приводит к
расплыванию волнового пакета
Дисперсия
(4)в
при его
распространении
среде
В вакууме:
Групповая скорость - движение max
огибающей – м.б.найдена из условия
постоянства фазы огибающей
Если дисперсия есть, то
фазовые скорости различны:

10. Дисперсия (4)

В вакууме:
Если дисперсия есть, то
фазовые скорости различны:

11. Дисперсия (7)

Наличие дисперсии приводит к расплыванию
волнового пакета при его распространении в среде

12. Дисперсия (8)

Порядки дисперсии
Приводит к
линейному чирпу

13. Дисперсия (9)

Задачки: определить дисперсию фазовой задержки (дисперсию
групповых скоростей, ДГС) для ряда материалов и длин волн (см.
табл.)
Данные о св-вах материалов найти в Интернете (напр.,
http://refractiveindex.info ;
для форстерита http://tf.nist.gov/general/pdf/903.pdf )

14. Дисперсия (10)

15. Призменный регулятор ДГС (1)

02.04.2015
15

16. Призменный регулятор ДГС (2)

02.04.2015
16

17. Призменный регулятор ДГС (3)

02.04.2015
17

18. Призменный регулятор ДГС (4)

При L>14,9 cm
получаем
отрицательное
значение дисперсии
групповой скорости
02.04.2015
18

19. Регулятор ДГС на основе дифракционных решеток

02.04.2015
19

20. Регулятор ДГС на основе «чирпированных зеркал»

02.04.2015
20

21. Регулятор ДГС на основе «чирпированных зеркал»

02.04.2015
21

22. Регулятор ДГС на основе «чирпированных зеркал»

LIGHT
02.04.2015
22

23.

Чирпированные зеркала
часто применяются в
комбинации с
тонкопленочным
быстрорелаксирующим
полупроводниковым
насыщающимся
поглотителем
(SEmiconductor Saturable
Absorber Mirror = SESAM)
02.04.2015
23

24. SEemiconductor Saturable Absorber Mirror (SESAM)

02.04.2015
24

25. SESAM как комбинация п/п поглотителя с «чирпированным» зеркалом

02.04.2015
25

26. SESAM как комбинация п/п поглотителя с «чирпированным» зеркалом

Таким образом, в резонаторах лазеров
СКИ дисперсия должна быть
скомпенсирована.
Диспергирующая
среда
Регулятор
дисперсии

27. Таким образом, в резонаторах лазеров СКИ дисперсия должна быть скомпенсирована.

SESAM как комбинация п/п поглотителя с
«чирпированным» зеркалом
02.04.2015
28

28. SESAM как комбинация п/п поглотителя с «чирпированным» зеркалом

Лекция 12
Лазеры сверхкоротких импульсов
(продолжение)

29. Лекция 12

Самомодуляция фазы
02.04.2015
30

30. Самомодуляция фазы

(2)
02.04.2015
31

31. Самомодуляция фазы (2)

Самомодуляция фазы (3)
02.04.2015
32

32. Самомодуляция фазы (3)

Самомодуляция фазы (4)
«Игра ДГС
и ФСМ»
02.04.2015
33

33. Самомодуляция фазы (4)

Самомодуляция фазы (5)
Таким образом, уширение импульса, вызванное
самомодуляцией фазы, следует компенсировать настройкой
дисперсии групповой скорости.
В результате – режим генерации солитонов.
Этот режим полезен для передачи сообщений через
волоконные линии связи.
02.05.2017
34

34. Самомодуляция фазы (5)

Солитоны
02.05.2017
35

35. Солитоны

Temporal solitons (1)
02.05.2017
36

36. Temporal solitons (1)

Temporal solitons (2)
02.05.2017
37

37. Temporal solitons (2)

Temporal solitons (3)
02.05.2017
38

38. Temporal solitons (3)

А вот если баланс нелинейных и линейных свойств
среды не соблюдается, то в морях и океанах могут
появляться «волны-убийцы» -- и исчезать…
N. Akhmediev, A. Ankiewicz, and M. Taki, “Waves that appear from nowhere and
02.05.2017
39
disappear without a trace”, Physics Letters, A 373 (2009) 675–678

39. А вот если баланс нелинейных и линейных свойств среды не соблюдается, то в морях и океанах могут появляться «волны-убийцы» -- и исчезать…

Места, где со спутников такие волны
наблюдались
02.05.2017
40

40. Места, где со спутников такие волны наблюдались

z
Spatial solitons: a game of self-focusing and diffraction
xОптический эффект Керра→ самофокусировка: n(I)=n0+n2I, n2>0
c
c
Vp(I>0)
Фаз.
скорость
Vp (I)
Vp(I 0)
n n0 n2 I
1. Форма не изменяется при
распространении
2.
Vp(soliton) < Vp(I 0)
3. Плоский волновой фронт
I(x)
4. Нелинейный фазовый сдвиг
z (не очевидно, но так)
С.-фокусир.
n2>0
Vp(I 0)>Vp(I>0)
Дифр. Расплыв.
02.05.2017
Солитон
Фазовый
фронт
41

41.

выборе параметров
Возвращаясь к конструкцииПри
резонаторов
регулятора дисперсии
лазеров СКИ:
следует учитывать
эффект самомодуляции
фазы
02.05.2017
42

42.

Усиление сверхкоротких импульсов (1)
Рассмотрим две задачи для усилителя:
1) Усилить не саморазрушившись
2) Постараться еще импульс подсократить.
Оказывается, обе эти задачи
можно решить, использовав
«игру ДГС и ФСМ»
02.05.2017
43

43.

Усиление сверхкоротких импульсов (2)
02.05.2017
44

44.

Усиление сверхкоротких импульсов (3)
02.05.2017
45

45.

Усиление сверхкоротких импульсов (4)
02.05.2017
46

46.

Усиление сверхкоротких импульсов (5)
02.05.2017
47

47.

Усиление сверхкоротких импульсов (5)
Разумеется, если на входе импульс достаточно
короткий, а усилительная среда имеет
достаточно широкий спектр, то необходимости
в уширении спектра путем ФСМ может не
возникнуть.
Сохраним только идею:
- растянуть импульс во времени с
чирпированием – «безопасно усилить» его
в усилителе энергии – компрессировать
вплоть до спектрально-ограниченной
длительности
02.05.2017
48

48.

Усиление сверхкоротких импульсов (6)
02.05.2017
49

49.

Усиление сверхкоротких импульсов (8)
02.05.2017
50

50.

Усиление сверхкоротких импульсов (8)
02.05.2017
51

51.

Измерение длительности сверхкоротких
импульсов (1)
Метод двухфотонной
люминесценции
02.05.2017
52

52.

Измерение длительности сверхкоротких
импульсов (2)
Автокорреляционный метод
Интенсивность
сигнала второй
гармоники
пропорциональна
произведению
интенсивностей
перекрывающихся
импульсов
02.05.2017
53

53.

Интенсивность
Измерение длительности сверхкоротких
сигнала второй
импульсов (2)
гармоники
Автокорреляционный метод
02.05.2017
пропорциональна
произведению
интенсивностей
перекрывающихся
импульсов
54

54.

Измерение длительности сверхкоротких
импульсов (3)
Автокорреляционный метод
Истинная форма импульса остается неизвестной. Для оценки
длительности делаются разумные предположения о его форме :
02.05.2017
55

55.

Измерение длительности сверхкоротких
импульсов (3)
Автокорреляционный метод
Истинная форма импульса остается неизвестной. Для оценки
длительности делаются разумные предположения о его форме :
02.05.2017
56

56.

Измерение длительности сверхкоротких
импульсов (3)
Истинная форма импульса остается неизвестной. Для оценки
длительности делаются разумные предположения о его форме :
Гвидо д’Ареццо, Гви́до
Арети́нский (итал. Guido
d'Arezzo, лат. Guido Aretinus) (ок.
990 — ок. 1050)
02.05.2017
57

57.

Измерение длительности сверхкоротких
импульсов (4)
Развитие автокорреляционных
методов: Frequency Resolved Optical
Gating (FROG)
Если известно
распределение во
времени спектральных
компонентов сигнала, то
он может быть
полностью восстановлен
– основа time-frequency
domain методов
измерения.
02.05.2017
58

58.

Развитие автокорреляционных
Frequency Resolved Optical
длительности методов:
сверхкоротких
Gating (FROG)
Измерение
импульсов (5)
02.05.2017
59

59.

Развитие автокорреляционных
Frequency Resolved Optical
длительности методов:
сверхкоротких
Gating (FROG)
Измерение
импульсов (6)
02.05.2017
60

60.

Измерение длительности сверхкоротких
импульсов (7)
Восстановление сигнала
производится каким-либо
итерационным алгоритмом
В SHG-FROG используется необходимость выполнения двух
условий – соответствие экспериментальным данным, и связь
Esig с измеряемым и стробирующим сигналами:
02.05.2017
61

61.

Измерение длительности сверхкоротких
импульсов (8)
Восстановление сигнала
производится каким-либо
итерационным алгоритмом
02.05.2017
62

62.

Измерение длительности сверхкоротких
импульсов (8)
Восстановление сигнала
производится каким-либо
итерационным алгоритмом
02.05.2017
63

63.

Вопросы по курсу
1
Nd:YAG как лазерная среда. Nd-содержащие среды (стекло,
смешанные гранаты, YLF4, YVO4). "Бесстоксовые" лазерные среды
(Yb, Nd:YVO4, ...)
2
Er-содержащие среды. Среды, активированные ионами
переходных металлов(Ti, Cr, Tm, Co, ...)
3
Усиление света (порог; насыщение; ASE; 3-и 4-уровневые
среды; энергосъем в непрерывном/импульсном режиме)
4
Лазеры, работающие в непрерывном режиме и режиме
свободной генерации (порог, КПД, оптимальное пропускание зеркал)
5
Лазеры, работающие в моноимпульсном режиме. Способы
реализации. Типы модуляторов добротности. Энергетические
характеристики
6
Лазеры, работающие в режиме синхронизации
(самосинхронизации) мод. Способы реализации. Спектральноограниченные импульсы.
7
Лазеры СКИ. Роль времени релаксации затворов. Затворы на
основе KLM. SESAM - принцип действия, основы конструкции.
8.
Роль дисперсии при генерации и усилении сверхкоротких
импульсов (СКИ)
9.
Роль самомодуляции фазы при генерации и усилении
сверхкоротких импульсов (СКИ)
10.
Усиление сверхкоротких импульсов. Чирп, временнАя
компрессия.
02.05.2017
64
11.
Измерение длительности сверхкоротких импульсов.

64.

02.05.2017
65
Быт. 11. 7