Лазеры сверхкоротких импульсов

1. Лекция 10

Лазеры сверхкоротких
импульсов
02.05.2017
1

2. Краткий обзор пройденного пути

Три базовых идеи: Стимулированное излучение - Инверсия
населенностей – Положит. обратная связь в открытых
резонаторах
Выяснили, как образуется инверсия и как она
энергетически преобразуется (кинетические, или
балансные уравнения) в лазерной среде
Ознакомились с основными временнЫми режимами лазерного
излучения – непрерывный, импульсный (свободная генерация –
моноимпульсный – разгрузка резонатора – режим СКИ)
Ознакомились с понятием модовой структуры излучения в
открытых резонаторах и различными типами резонаторов
Ознакомились с различными твердотельными
лазерными средами и основными параметрами, их
характеризующими( спектральная область накачки,
рабочая длина волны, время жизни возбужденного
состояния, сечение усиления, ширина спектра
усиления… показатель преломления,
02.05.2017
2
теплопроводность,…)

3. «…Куда ж нам плыть?...

Синтез сверхкоротких импульсов
Быстрорелаксирующие пассивные затворы для
генерации СКИ
Эффекты дисперсии среды при формировании СКИ
Самомодуляция фазы и оптические солитоны
Усиление СКИ
Измерение длительности СКИ
02.05.2017
3

4. Лазеры сверхкоротких импульсов

Базовые идеи:
•Короткие импульсы синтезируются как
специальным образом организованные биения
мод лазерного резонатора
•Спектральная ширина контура усиления
лазерной среды выбирается максимально
широкой
•Дальнейшее укорочение импульса происходит
при его усилении, сопровождаемом
преобразованием спектра
Что это значит?
02.05.2017
4

5. Воспоминания о разложении функций (1)

02.05.2017
Ортогональную систему легко можно
превратить в ортонормированную
5

6. Воспоминания о разложении функций (2)

02.05.2017
6

7. Воспоминания о разложении функций в ряд Фурье (3)

02.05.2017
7

8. Воспоминания о разложении функций (3)

Какие системы ортогональных
функций мы помним?
02.05.2017
8

9. Воспоминания о разложении функций (4)

Тригонометрический ряд Фурье
02.05.2017
9

10. Воспоминания о разложении функций (5)

02.05.2017
10

11. Воспоминания о разложении функций (6)

Комплексная форма
тригонометрического ряда Фурье
02.05.2017
11

12. Воспоминания о разложении функций (7)

Какова величина амплитуд
спектральных компонент?
02.05.2017
12

13. Воспоминания о разложении функций

Комплексная форма
тригонометрического ряда Фурье
Как же всё это может нам
помочь в деле получения
сверхкоротких
импульсов?
02.05.2017
13

14. Воспоминания о разложении функций

Если разложение периодической функции порождает набор
спектральных амплитуд, связанных с соответствующими
гармоническими составляющими, то и обратно, синтезируя
сфазированные гармонические составляющие с
соответствующими амплитудами, мы получим периодическую
функцию, временнЫе характеристики которой определяются
спектральным составом компонент и их амплитудными и
фазовыми значениями.
Многомодовый (по аксиальным модам) лазерный резонатор
дает нам набор эквидистантных гармонических составляющих.
Осталось обеспечить их взаимную фазировку.
02.05.2017
14

15. Синхронизация мод. Продольные (аксиальные) моды (4)

02.05.2017
15

16. Синхронизация мод. Продольные (аксиальные) моды (5)

02.05.2017
16

17. Синхронизация мод

Медленно
меняющаяся
амплитуда
несущая
02.05.2017
17

18. Сфазированные моды порождают цуг коротких импульсов

Интенсивность есть квадрат амплитуды:
Для z=0:
02.05.2017
18

19. Огибающая для интенсивности:

02.05.2017
19

20. Характеристики импульсов в цуге:

Длительность пичка
Пиковая интенсивность:
Средняя
интенсивность:
02.05.2017
20

21. Количество генерируемых мод определяется шириной линии усиления лазерной среды

02.05.2017
21

22. Твердотельные среды и предел длительности импульсов

Задачка:
В очень грубом предположении, что
форма огибающей спектра лазерных
сред –
П-образная, определить предельную
длительность импульса, определяемую
шириной спектра.
02.05.2017
22

23. Твердотельные среды и предельные длительности импульсов

02.05.2017
23

24. Предельная длительность импульса: секансная огибающая

Несфазированные импульсы порождают
шумоподобную огибающую (1)
02.05.2017
27

25. Предельная длительность импульса: гауссова огибающая, чирп частоты

Несфазированные импульсы порождают
шумоподобную огибающую (2)
Интенсивность флуктуирует относительно того же
среднего значения:
Время корреляции
Флуктуации периодичны с периодом
02.05.2017
28

26. Предельная длительность импульса: гауссова огибающая, чирп частоты

Временная шкала
На сегодня наименьшая
длительность импульса:
4-5 фс для средней длины
волны несущей – 800 нм
и ~100 as для длины волны
несущей 25 нм
02.05.2017
29

27. Несфазированные импульсы порождают шумоподобную огибающую (1)

Битва за длительность
02.05.2017
30

28. Несфазированные импульсы порождают шумоподобную огибающую (2)

Битва за длительность: Ti:Sapphire
02.05.2017
31

29. Временная шкала

Лазеры сверхкоротких
импульсов
Базовые идеи:
•Короткие импульсы синтезируются как
специальным образом организованные биения
мод лазерного резонатора
•Спектральная ширина контура усиления
лазера выбирается максимально широкой
•Дальнейшее укорочение импульса происходит
при его усилении, сопровождаемом
преобразованием спектра

30. Битва за длительность

Механизмы синхронизации мод
активная синхронизация
(10
10
11
10 ) s

31. Битва за длительность: Ti:Sapphire

Синхронизация мод в лазере с насыщающимся
поглотителем (1)

32. Лазеры сверхкоротких импульсов

Методы синхронизации мод
пассивная синхронизация

33. Механизмы синхронизации мод активная синхронизация

Синхронизация мод в лазере с насыщающимся
поглотителем (3)

34. Синхронизация мод в лазере с насыщающимся поглотителем (1)

Синхронизация мод в лазере с насыщающимся
поглотителем (3)

35. Методы синхронизации мод пассивная синхронизация

Синхронизация мод в лазере с насыщающимся
поглотителем (4)

36. Синхронизация мод в лазере с насыщающимся поглотителем (3)

Синхронизация мод в лазере с насыщающимся
поглотителем (5)

37. Синхронизация мод в лазере с насыщающимся поглотителем (3)

Синхронизация мод в лазере с насыщающимся
поглотителем (6)

38. Синхронизация мод в лазере с насыщающимся поглотителем (4)

Синхронизация мод в лазере с насыщающимся
поглотителем (7)

39. Синхронизация мод в лазере с насыщающимся поглотителем (5)

Синхронизация мод в лазере с насыщающимся
поглотителем

40. Синхронизация мод в лазере с насыщающимся поглотителем (6)

Быстро релаксирующие нелинейные
устройства
Режим работы лазера зависит от соотношения времени
восстановления начального состояния просветляющейся
среды и времени двойного прохода светом резонатора.
Если ~2l/c Q-switch mode
Если ~1/Dn режим самосинхронизации мод.
Как ?

41. Синхронизация мод в лазере с насыщающимся поглотителем (7)

Вспомним:
Насыщающиеся поглотители (passive/saturable
Q-switches)
44

42. Синхронизация мод в лазере с насыщающимся поглотителем

Вспомним:
Насыщающиеся поглотители (passive/saturable
Вплоть до 1991 года, до
Q-switches)
появления быстрых
насыщающихся устройств,
основанных на керровской
нелинейности показателя
преломления (Kerr lens
modulation, KLM), развитие
лазеров СКИ сдерживалось
нестабильностью получаемых
результатов.
45

43. Быстро релаксирующие нелинейные устройства

Kerr lens mode locking (1)
Low intensity
light
High intensity
light

44. Вспомним: Насыщающиеся поглотители (passive/saturable Q-switches)

Kerr lens mode locking (2)

45. Вспомним: Насыщающиеся поглотители (passive/saturable Q-switches)

Kerr lens mode locking (3)
Конфигурация резонатора должна
выбираться так, чтобы (а) размер
перетяжки внутри керровской
среды был мал (для обеспечения
высокой плотности I ); (b)
изменения оптической силы
керровской линзы приводили к
существенному изменению
добротности резонатора – т.е. он
должен находиться на границе
области устойчивости.

46. SEemiconductor Saturable Absorber

Kerr lens mode locking (4)
Простейший лазер СКИ с керровской
линзой (Kerr lens mode locking, KLM)

47. Быстро релаксирующие нелинейные устройства Kerr lens mode locking (1)

Kerr lens mode locking (5)
Простейший лазер СКИ с керровской
линзой (Kerr lens mode locking, KLM)

48. Kerr lens mode locking (2)

Kerr lens mode locking (6)

49. Kerr lens mode locking (3)

Kerr lens mode locking (7)

50. Kerr lens mode locking (4)

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 , необходимые для достижения предельно
коротких длительностей импульсов, определяемых их
спектральной шириной (Fourier-determined pulse
duration).

51. Kerr lens mode locking (5)

И для развлечения: пусть бригада №5 к следующему занятию
прореферирует статью
N. Tolstik et al., “Kerr-lens mode-locked Cr:ZnS laser”,
Opt. Lett. 38 (3), 299 (2013)