Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Разработка фемтосекундного лазера на сапфире с ионами титана .
1. Фемтосекундные лазеры (обзор литературы) 23
2. Устройство фемтосекундного лазера на сапфире с титаном и синхронизацией мод на основе нелинейности Керра 29
3. Разработанный фемтосекундный лазер на сапфире с титаном 38
Глава 2. Разработка сканирующего автокоррелятора для измерения длительности СКИ .
4. Сканирующий автокоррелятор для измерения длительности и параметров фазовой модуляции фемтосекундных лазерных импульсов 53
5. Минимальная длительность импульсов, достоверно определяемая разработанным автокоррелятором и применение светоизлучающего диода в качестве нелинейного фотоприемника для регистрации ИАКФ СКИ 57
6. Использование двулучепреломляющей пластины для создания
переменной оптической задержки 65
Глава 3. Генерация суперконтинуума в биконических микросветоводах с граничащей с воздухом перетяжкой .
7. Биконические микросветоводы и их дисперсионные характеристики 77
8. Генерация суперконтинуума в биконических микросветоводах с круговым сечением перетяжки 85
9. Генерация поляризованного суп ер континуум а в биконических микросветоводах с квазиэллиптическим сечением перетяжки 95
Глава 4. Эффект генерации солитонов в биконических микросветоводах при фемтосекупдной накачке .
10. Механизмы формирования суперконтинуума в дырчатых световодах
с накачкой фемтосскунлными импульсами с энергией ~1 нДж 106
11. Генерация солитонов в биконических микросветоводах при фемтосекундной накачке 110
12. Временная структура суперконтинуума, генерируемого в биконических микросветоводах при накачке фемтосекундными импульсами... 119
Заключение 131
Приложения 134
Список литературы 137
- Устройство фемтосекундного лазера на сапфире с титаном и синхронизацией мод на основе нелинейности Керра
- Минимальная длительность импульсов, достоверно определяемая разработанным автокоррелятором и применение светоизлучающего диода в качестве нелинейного фотоприемника для регистрации ИАКФ СКИ
- Генерация суперконтинуума в биконических микросветоводах с круговым сечением перетяжки
- Генерация солитонов в биконических микросветоводах при фемтосекундной накачке
Введение к работе
Сверхкороткие лазерные импульсы (СКИ) с высокой пиковой мощностью при распространении в оптически прозрачной среде могут испытывать чрезвычайно большое спектральное уширение, перекрывающее практически полностью весь видимый диапазон, и достигающего областей ближнего ультрафиолета (-3 00 нм) и дальней инфракрасной области (~ 1600 нм). В этой ситуации, по определению, принято говорить о сверхуширении спектра, или о генерации импульсов белого света или о генерации суперконтинуума (СК). Со времени первого экспериментального наблюдения этого явления в образцах боросили-катных стёкол в конце 60-х годов 20 века [1], генерация СК была осуществлена в различных типах твердых материалов, а также в жидкостях [2] и газах [3]. Уникальные свойства СК сделали его идеальным широкополосным лазерным источником для различных областей фундаментальных и прикладных исследований [4]. Области применения СК включают: спектроскопию сверхвысокого временного разрешения [5,6], сжатие СК во временной области с целью генерации импульсов предельно короткой длительности [7,8], использование СК в качестве затравочного излучения в оптических параметрических усилителях [9, 10], оптическую когерентную томографию [11], частотную метрологию [12-15], оптические коммуникации [16-18].
Генерация СК является комплексным физическим явлением, в формировании которого участвует целый ряд физических механизмов. Доминирующим эффектом при сверхуширении спектра СКИ в объёмных средах (твердые тела, жидкости, газы) является изменение показателя преломления оптически прозрачного вещества под действием электрического поля импульса (эффект Кер-ра):
An = n2P(t) (В.1)
где Р (і) - пиковая плотность мощности импульса (Вт/см2), пг - нелинейный показатель преломления вещества (см2/Вт). В результате (во временном представлении) при распространении импульса в среде у него появляется нелинейно за-
висящий от времени набег фазы (фазовая самомодуляция, ФСМ), который (в частотной области) соответствует увеличению ширины спектра импульса относительно его центральной частоты о>0 [1,2,19]. Вызванное действием ФСМ мак-
Дш симальное относительное уширение —— спектра импульса можно оценить по
формуле [20]:
A(osm _ \,39n2P0L
Л л, 1 IQt, d г
(В.2)
(О0 r0cS
где Ро - пиковая мощность импульса, то - характерная длительность импульса, L - длина распространения в среде, S - площадь поперечного сечения излучения.
Среди других физических механизмов, участвующих в формировании СК в объёмных средах, указывались: самофокусировка [21,22]; оптический пробой и дополнительная ФСМ, вызванная лавинной ионизацией при самофокусировке [22,23]; параметрические процессы [24,25]; ФСМ с учетом самоукручения переднего фронта импульса [19]; многофотонная ионизация [26].
Р Оценки по формуле (В.2) для плотности мощности -і и энергии Е им-
пульса, необходимых для относительного уширения спектра —— ~ 1 и раз-
личных характерных длительностях, дают (длина взаимодействия L ~ 10 мм, диаметр пятна излучения в фокусе ~ 100 мкм):
Р 13 2
-$- ~ 10 Вт/см , Е - 1 мДж, для пикосекундных импульсов (1 пикосекунда =10"12 секунды);
Р 12 2
-$- ~ 10 Вт/см , Е ~ 100 цДж, для импульсов длительностью ~ 100 фемтосе-
кунд (1фемтосекунда= 10~15 секунды).
Подобные лазерные энергетические параметры достигаются в сложных и достаточно громоздких лазерных системах «генератор сверкоротких импульсов
+ усилительная система».
Из перечисленных выше физических механизмов явление самофокусировки оказывает двоякое влияние на сверхуширение спектра СКИ в объёмных средах. С одной стороны, самофокусировка, за счет дополнительного вклада в ФСМ, приводит к увеличению ширины спектра СК. С другой стороны, когда мощность затравочного излучения превышает некоторую критическую величину (пороговую мощность фокусировки Рсг), развивается поперечная нестабильность, которая приводит к расщеплению пучка на несколько отдельных нитей (филаментация) [27], что ухудшает качество формируемого СК и увеличивает чувствительность его параметров к возмущениям среды (флуктуации температуры, плотности и показателя преломления) и затравочного излучения (шумы амплитуды, частоты, фазы и поляризации). При достижении пороговой мощности самофокусировки Рсг, даваемой формулой
P. =^ (В.З),
кпйпг
фокусируемое излучение СКИ схлопывается в нить на характерной длине самофокусировки Zs{ [28] (в приближении гауссова пучка):
Z4= '367^ (В.4).
([(-^-0,852)-0,0219]
В формулах (3) и (4) Я- длина волны излучения, к = волновой вектор, w0-
радиус перетяжки пучка, п0- линейный показатель преломления среды, пг- нелинейный показатель преломления среды, выраженный в см2/Вт, Рд и Рс~ пиковая мощность СКИ и критическая мощность самофокусировки (выраженные в Ваттах). Оценки по формулам (В.З), (В.4) дают для характерных длин самофокусировки в различных материалах (плотность мощности -^ ~ 1,5х1012
'у
Вт/см , радиус перетяжки пучка wo ~ 50 р.м):
для воды (п2 = 4,1х1(Г16см2/Вт) - 1 мм, для плавленого кварца (п2 = 3,2 х10" см /Вт) - 1,3 мм, для CaF2 (п2 = 1,24 х10"16 см2 /Вт) - 2,1 мм.
Таким образом, при генерации СК в объёмных средах, длина рабочей среды ограничивается величиной порядка характерной длины самофокусировки Zsf, и на практике лежит в пределах от долей миллиметра до нескольких миллиметров.
Значительное снижение порога наблюдения нелинейно-оптических явлений (в частности, генерации СК) по энергии импульсов накачки достигается при использовании волоконных световодов. Технология изготовления современных волоконных световодов из кварцевого стекла обеспечивает потери в них не более 0.1 дБ/км в области ближнего инфракрасного диапазона. Эффективность Aeff протекания нелинейно-оптических явлений в среде определяется произведением нелинейного показателя преломления, эффективной длины взаимодействия и плотности мощности импульса накачки:
В работе [20] приведена оценка отношения эффективностей нелинейно-оптических явлений A ejT, f в волоконном световоде длиной L, и бесконечной объемной среде A effiv (в приближении Гауссова пучка):
^LL^OmIiL, (В.6)
где, PF , Pv - пиковые мощности импульсов накачки в световоде и объемной среде, d - диаметр сердцевины одномодового световода (характерное значение d = 8 мкм для длины волны 1,3 мкм.). При значениях отношения n2,F / Щу~ Ю"2 (кварцевое стекло и сероуглерод CS2, имеющий одно из наибольших значений нелинейного коэффициента п2) и значении отношения Pf / Pv~ Ю", значение отношения эффективностей нелинейно-оптических явлений становится -1 при длине волокна порядка сотен метров. Таким образом, при использовании волоконных световодов для генерации СК, за счет волноводного эффекта и больших длин световодов возможно снижение энергии импульсов накачки до уровня ~1 нДж. Ещё одним существенным преимуществом волоконных световодов явля-
ется возможность эффективного протекания нелинейных процессов в отсутствии самофокусировки излучения.
В результате систематических исследований нелинейно-оптических явлений в кварцевых световодах были выявлены некоторые новые физические механизмы, дающие, наряду с волоконной ФСМ [29], существенный вклад в изменение в них спектра СКИ. Среди этих механизмов:
солитонный режим распространения импульса [30,31]; самосдвиг центральной частоты солитона вниз за счет эффекта вынужденного комбинационного рассеяния [32,33]; эволюция солитона высокого порядка [34-36];
модуляционная неустойчивость спектральных компонент затравочного импульса, попадающих в область аномальной дисперсии световода [37]; генерация несолитонного (дисперсионные волны, оптический эффект Черепкова) излучения затравочными импульсами с длиной волны, лежащей в области аномальной дисперсии световода вблизи точки нулевой дисперсии [38-40].
Интенсивные исследования особенностей генерации СК в волоконных световодах были предприняты в рамках задач оптических систем связи на основе спектрально-широкополосных лазерных источников световых импульсов с гигагерцовой частотой следования. Основными компонентами подобных систем генерации СК являются: пикосекундные источники световых импульсов (волоконные или полупроводниковые лазеры с синхронизацией мод), волоконный усилитель мощности на основе легированного эрбием волокна, волоконный генератор СК (характерные длины волокна - от нескольких сотен метров до нескольких километров). Типичные характеристики излучения на выходе таких систем, полученные к настоящему времени: ширина спектра СК (вблизи центральной длины волны 1555 нм) свыше 300 им, частота повторения -10 ГГц, средние выходные мощности -100 мВт [41]. Проведенные в рамках телекоммуникационных задач исследования показали существенную роль дисперсионных характеристик волоконного генератора СК, которые оказывают значи-
тельное влияние на свойства выходного излучения (ширина спектра, выходная мощность, временные и поляризационные характеристики, спектральная гладкость и симметричность СК относительно центральной длины волны затравочного импульса, шумовые характеристики и фазовая когерентность) [42, 43].
Было выяснено что, с помощью подходящего выбора конструкции световодов при их изготовлении (диаметр сердцевины и разность показателей преломления сердцевины и оболочки, количество оболочек и т. д.), можно изменять волоконные дисперсионные характеристики, и таким образом управлять процессом распространения в них СКИ и параметрами генерируемого СК. Среди важных дисперсионных характеристик отметим следующие:
положение точки нулевой дисперсии относительно центральной длины
волны излучения накачки,
наклон дисперсионной кривой,
изменение величины дисперсии вдоль волокна,
согласование групповых скоростей различных спектральных компонент.
Существенный прогресс в технике генерации СК, распространении его спектра в видимый диапазон и снижении пороговой энергии импульсов накачки, связан с изобретением дырчатых (или микроструктурных или фотонно-кристаллических) световодов [45] и широким внедрением в практику научных исследований фемтосекундных твёрдотельных и волоконных лазеров [44, 61-71]. Характерные параметры указанных лазеров - фемтосекундная (100 фс и менее) длительность импульсов с энергией ~ 1 нДж при частоте следования ~ 10-100 МГц. Оценка для плотности мощности, достижимой, например, при фокусировке излучения лазера на сапфире с титаном с синхронизацией мод и длительностью импульса 50 фс в пятно с диаметром ~1 мкм, даёт величину ~ 10й Вт/см , сравнимую с плотностью мощности необходимой для генерации СК в объемной среде.
Микроструктурные световоды в поперечном сечении представляют собой сердцевину из плавленого кварца с характерным диаметром ~1 мкм, окруженную регулярным набором отверстий заполненных воздухом и тянущихся вдоль
всей длины волокна (см. рис. В1 б). На рис. В1а приведена фотография из работы [46], где впервые была продемонстрирована возможность генерации в дырчатом волокне СК (спектр в пределах от 400 до 1600 нм) при фокусировке в его сердцевину фемтосекундных импульсов лазера на сапфире с ионами титана. На фотографии видны особенности конструкции этого оптико-волоконного устройства.
(а) б)
Рис.ВІ. (а) Фотография торца микроструктурного волокна из работы [46], демонстрирующая особенности конструкции подобных оптико-волоконных устройств, (б) Схема, поясняющая строение микроструктурного волокна с обозначением основных параметров.
Форма и размер сердцевины D, диаметр воздушных отверстий d, их количество в непосредственной близости от сердцевины и расстояния Л между ними определяют нелинейные и дисперсионные свойства всей оптико-волоконной конструкции. Современные технологии производства оптических волноводов позволяют изготавливать микроструктурные волокна с длинами порядка десятков метров и потерями не более 0,1 дБ/м, поддерживающими и не поддерживающими поляризацию входного излучения, с диаметром сердцевины вплоть
до субмикронных размеров и толщиной перемычек между отверстиями порядка десятков нанометров.
Фотонно-кристаллическим волокнам присущи некоторые очень важные особенности, нехарактерные для стандартных телекоммуникационных световодов [47,48]. Среди их необычных свойств:
поддержка одномодового режима распространения излучения в широком диапазоне длин волн [49];
смещение (в зависимости от конструкционных параметров) положения точки нулевой дисперсии в ближнюю инфракрасную и даже в видимую области спектра (в частности, максимум усиления лазера на кристалле сапфира с ионами титана попадает в область аномальной дисперсии специально сконструированных фотонно-кристаллических волокон) [50, 51]; высокая эффективности протекания нелинейно-оптических явлений [52] (за счет возможности уменьшение диаметра сердцевины до размеров порядка 1 мкм и менее без существенного увеличения волноводных потерь). При прохождении СКИ в сердцевине дырчатых световодов их спектр может существенным образом трансформироваться. Изменение спектра выходных импульсов проявляется как в возникновении отдельных спектральных составляющих, центральная длина волны которых может быть больше или меньше длины волны импульсов входного излучения, так и в его уширении вплоть до генерации СК.
В дырчатых световодах наблюдаются практически все указанные ранее нелинейно-оптические явления, характерные для обычных кварцевых волокон [29-40], но при значительно меньших длинах (от нескольких сантиметров до нескольких метров).
По дисперсионным и нелинейно-оптическим свойствам к микроструктурным волокнам тесно примыкают оптические волокна с перетяжкой диаметром несколько микрометров окруженной воздухом - вытянутые биконические микросветоводы (см. рис. В2). При уменьшении первоначального диаметра оптоволокна в несколько десятков раз разница между сердцевиной и оболочкой прак-
тически исчезает, и перетяжка становится граничащим с воздухом стеклянным цилиндром с двумя коническими переходами к исходному диаметру. Впервые одна из технологий изготовления подобных устройств и первые результаты по генерации в них СК опубликованы в работе [53].
d~ ІМКМ
^уР-125 МКМ Рис. В2. Схема конструкции вытянутого волокна с граничащей с воздухом перетяжкой микронного диаметра.
Биконические микросветоводы в двух отношениях являются более простыми оптико-волоконными устройствами в сравнении с микроструктурными световодами. Во-первых, методы расчета волноводных характеристик бикони-ческих микросветоводов (эффективная площадь моды, положение точки нулевой дисперсии, групповые скорости различных спектральных компонент) практически совпадают с хорошо разработанными методами расчета тех же величин для ступенчатых оптических световодов [20, 54]. При этом граница сердцевина-оболочка для ступенчатых оптических световодов аналогична границе воздух-перетяжка для биконических микросветоводов. Теория расчета подобных величин для фотонных кристаллов выглядит достаточно сложной и в настоящее время находится в стадии разработки.
Во-вторых, интерес к биконическим микросветоводам вызывают доступность исходного материала (стандартное коммерческое телекоммуникационное волокно) и сравнительная простота методов вытяжки.
Ещё одним важным обстоятельством является то, что биконические микросветоводы можно считать предельным случаем микроструктурных волокон с уменьшенными размерами перемычек между воздушными отверстиями (так называемыми паутинчатыми волокнами [55, 56], см. рис. ВЗ). Поэтому следует
ожидать определенного сходства процессов развития нелинейных явлений в этих двух типах оптико-волоконных устройств.
Таким образом, простота расчета нелинейных и дисперсионных параметров, простота и оперативность изготовления в лабораторных условиях, указанное сходство с микроструктурными световодами делают биконические микросветоводы с граничащей с воздухом перетяжкой микронных диаметров удобным и доступным объектом для исследования особенностей генерации СК оптико-волоконными методами.
а) б)
Рис. ВЗ. Примеры микроструктурных волокон с уменьшенными размерами перемычек между воздушными отверстиями (паутинчатых волокон), (а) Фотография с электронного микроскопа торца микроструктурного волокна из работы [55]. (б) Фотография с электронного микроскопа торца микроструктурного волокна из работы автора настоящей диссертации [56].
Цель диссертационной работы, исходя из изложенного выше, состояла в изготовлении образцов биконических микросветоводов и исследовании основных свойств генерируемого в них суперконтинуума при накачке импульсами фемтосекундной длительности с энергией ~1 нДж, определении влияния параметров микросветоводов и характеристик излучения накачки на свойства суперконтинуума, использовании суперконтинуума в научных исследованиях.
В ходе работы решались задачи: разработка и создание лабораторного макета фемтосекундного лазера на кристалле сапфире с ионами титана, исследование его генерационных характеристик и выяснения возможности их оптимизации, реализация на основе проведенных исследований компактной, функционально развитой конструкции лазера, исследование возможностей созданного лазера при работе в составе интегрированного фемтосекундного лазерного комплекса; разработка методов и устройств для измерения длительности фем-тосекундных импульсов и исследования временной структуры суперконтинуума; разработка технологии и лабораторной установки для изготовления бико-нических микросветоводов с граничащей с воздухом светопроводящей перетяжкой; исследование основных характеристик и особенностей суперконтинуума, генерируемого в изготовленных микросветоводах, разработка методов управления параметрами суперконтинуума.
Научная новизна работы:
Разработан, исследован и реализован компактный фемтосекундный титан-сапфировый лазер оригинальной конструкции, обеспечивающий стабильный режим синхронизации мод в спектральном диапазоне 750-1050 нм при длительности импульсов 17-100 фс и средней мощности выходного излучения до 500 мВт. Разработан, исследован и реализован сканирующий автокоррелятор с компьютерной регистрацией данных и возможностью использования его в качестве линии оптической задержки на величину до 50 пс.
Впервые предложен способ формирования оптической задержки между репликами светового импульса с использованием качающейся двулучепрелом-ляющей пластины, на основе которого разработана и реализована новая схема компактного, простого в эксплуатации сканирующего интерференционного автокоррелятора для измерения длительности сверхкоротких световых импульсов.
С использованием разработанного фемтосекундного лазера и изготовленных биконических микросветоводов с круговым сечением граничащей с воздухом перетяжки получена генерация суперконтинуума, впервые продемонст-
рирована возможность управления шириной спектра суперконтинуума с помощью изменения длины волны импульсов накачки.
Впервые разработаны и изготовлены сдвоенные биконические микросветоводы с квазиэллиптическим сечением перетяжки, в которых реализована генерация поляризованного суперконтинуума, исследованы его основные характеристики и показана возможность управления шириной его спектра и степенью поляризации,
В изготовленных биконических микросветоводах впервые наблюдался эффект преобразования импульса накачки в отдельные солитонные компоненты. Экспериментально определены энергетические, спектральные и временные параметры импульсов и диаметры перетяжек биконических микросветоводов, необходимые для наблюдения этого явления, выявлена временная структура подобного излучения.
Практическая значимость и внедрение результатов работы:
Различные модификации разработанного фемтосекундного титан-сапфирового лазера изготовлены и поставлены в Российский центр лазерной физики при СПбГУ и ВНЦ 'ТОЙ им.С.И.Вавилова" (Санкт-Петербург), МЛЦ МГУ, ФИ им.П.НЛебедева РАН, ВНИИ ОФИ (Москва), ИФП СО РАН и НИИ физиологии СО РАМН Новосибирск).
Разработанные автокорреляторы изготовлены и поставлены в ФТИ им.А.Ф.Иоффе РАН (Санкт-Петербург), ФИ им.П.Н.Лебедева РАН (Москва), НИИ физиологии СО РАМН и ИЛФ СО РАН (Новосибирск), где используются для проведения научных исследований.
Изготовленные образцы биконических микросветоводов используются в ИЛФ СО РАН (Новосибирск) и ИХФ им.Н.Н.Семенова РАН (Москва).
Структура и содержание работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав с изложением материала диссертации и заключения, в котором перечислены основные результаты. Общий объём диссертации составляет 157 страниц и включает 49 рисунков, 8 таблиц и список литературы из 162 наименова-
ний. Формулы, рисунки и таблицы нумеруются по главам диссертации. Нумерация литературных ссылок сквозная.
Первая глава посвящена описанию разработанного фемтосекундного лазера на кристалле сапфира с ионами титана в качестве активной среды и синхронизацией мод на основе нелинейного эффекта Керра.
В 1 приведен обзор наиболее важных работ по генераторам фемтосе-кундных (длительностью менее 100 фс) импульсов. Изложена мотивировка выбора сапфира с ионами титана в качестве активной среды разработанного фемтосекундного лазера.
В 2 сформулированы основные вопросы, требующие решения при разработке твердотельного фемтосекундного генератора (параметры лазерных кристаллов и оптическая накачка, особенности резонатора, пассивная синхронизация мод на основе эффекта Керра, внутрирезонаторная компенсация дисперсии).
В 3 рассмотрен разработанный фемтосекундный лазер на кристалле сапфира с ионами титана. Приведены описание и схемы конструкции лазера и фотографии его внешнего вида. Представлены экспериментально полученные генерационные характеристики лазера в режиме синхронизации мод в различных диапазонах спектра и с различными типами лазеров накачки.
Основные характеристики разработанного фемтосекундного лазера на кристалле сапфира с ионами титана:
вблизи центра контура усиления (800 нм) при типичной длительности импульсов 17-50 фс и частоте следования 80 МГц, средняя мощность излучения достигает 500 мВт (в зависимости от типа и мощности лазера накачки), что соответствует пиковой мощности импульсов -100 кВт;
стабильный режим генерации импульсов с длительностью менее 100 фс и средней мощностью свыше 100 мВт экспериментально реализован в диапазоне 750-1050 нм.
Вторая глава посвящена описанию разработанных устройств для измерения длительности фемтосекундных импульсов на основе автокорреляционного метода.
В 4 обоснован выбор метода измерений, приведены оптическая схема и особенности конструкции разработанного сканирующего интерференционного автокоррелятора на базе интерферометра Майкельсона с нелинейно-оптическим преобразованием исследуемого излучения во вторую гармонику. Варьируемая оптическая задержка между репликами импульса осуществляется с помощью качания двухзеркального перископа, расположенного в одном из плеч интерферометра, максимальное значение временной задержки составляет 50 пс. Конструкция автокоррелятора позволяет использовать его в качестве прибора оптической временной задержки между импульсами (например, для экспериментов типа «накачка-зондирование»).
Программное обеспечение автокоррелятора дает возможность преобразования регистрируемой интерференционной автокорреляционной функции (ИАКФ) из аналогового в цифровой формат, осуществления её математической обработки и определения длительности и параметров фазовой модуляции исследуемых импульсов.
В 5 приведен анализ основных факторов (дисперсионные и нелинейно-оптические эффекты оптических элементов), оказывающих уширяющее действие на регистрируемую ИАКФ импульсов, и определена минимальная длительность импульсов, достоверно определяемая автокоррелятором. Изложены результаты экспериментальных исследований возможности использования для регистрации АКФ светоизлучающего диода в качестве нелинейного фотоприёмника. Показано, что замена в системе регистрации АКФ пары «нелинейный кристалл + линейный фотоприёмник» на светоизлучающий диод обеспечивает нелинейный отклик в широкой спектральной области без необходимости какой-либо дополнительной подстройки, меньшую степень искажения временной структуры исследуемых импульсов, повышение чувствительности и долговечности работы прибора.
В 6 приведена впервые предложенная и реализованная новая схема формирования оптической задержки сканирующего автокоррелятора, практически не требующего настройки, достаточно простого в изготовлении и позволяющего регистрировать АКФ при малом уровне деформаций временной структуры исследуемых сверхкоротких импульсов. Переменная оптическая задержка между репликами светового импульса создается качающейся пластиной из одноосного кристалла.
Созданный с использованием новой схемы автокоррелятор позволяет регистрировать ИАКФ лазерных импульсов с длительностью в субпикосекунд-ном и фемтосекундном диапазонах. Приведены аналитические выражения для величины диапазона сканирования и оптимальной ориентации оптической оси кристалла, численно исследовано влияние дисбаланса интенсивностей воли, прошедших по разным оптическим путям, на вид ИАКФ, Предложены одноосные кристаллы, пригодные для изготовления пластин автокоррелятора.
В Третьей главе изложены основные результаты по изготовлению бико-нических микросветоводов с граничащей с воздухом светопро водящей перетяжкой (одинарных с круговым сечением и сдвоенных с квазиэллиптическим сечением), генерации в них суперконтинуума при накачке импульсами фемто-секундной длительности с энергией ~1 нДж и управлению его параметрами.
В 7 описаны разработанные технология и лабораторная установка для изготовления биконических микросветоводов из стандартных оптических световодов. Основные параметры изготовленных образцов: пропускание излучения накачки - 50%, минимальный диаметр вытянутого участка - 1,5 мкм, максимальная длина перетяжки - 200 мм. Приведены расчетные зависимости эффективной площади моды и параметра дисперсии для разных типов перетяжек (одинарных с круговым сечением и сдвоенных с квазиэллиптическим сечением) и их диаметров от длины волны излучения. Отмечено, что с уменьшением диаметра перетяжки положение точки нулевой дисперсии монотонно смещается в коротковолновую область спектра. После размещения в пылеизолированных корпусах образцы биконических микросветоводов достаточно устойчивы к
возмущениям внешней среды и сохраняются в течение длительного времени (месяцы и более).
В 8 изложены экспериментальные результаты по генерации суперконтинуума в биконических микросветоводах с круговым сечением граничащей с воздухом светопроводяжей перетяжки. Выявлено высокое качество выходного излучения, профиль поперечного распределения интенсивности излучения близок к гауссову.
Показана возможность управления шириной спектра суперконтинуума с помощью перестройки спектра фемтосекундных импульсов накачки вблизи точки нулевой дисперсии биконического микросветовода. При перестройке центральной длины волны спектра входных импульсов длительностью 80 фс (энергия на входе в образец 1,1 нДж) от 789 до 847 нм ширина спектра генерации суперконтинуума на выходе образца (при одинаковой средней выходной мощности 45 мВт) варьировалась от 98 до 790 нм (по уровню -20 дБ).
Показано, что спектральная неоднородность генерируемого суперконтинуума может уменьшаться при использовании комбинации двух биконических микросветоводов с круговым сечением и разными диаметрами перетяжек.
Приведён пример использования генератора суперконтинуума (фемтосе-кундный лазер + биконический микросветовод) в экспериментах по исследованию пространственной динамики изменения спектра рассеяния широкополосного излучения, распространяющегося в кристаллических средах, содержащих электродипольные светорассеивающие частицы.
В 9 изложены результаты по генерации поляризованного суперконтинуума в сдвоенных биконических микросветоводах с квазиэллиптическим сечением перетяжки микронных размеров Показана возможность управления шириной спектра суперконтинуума и степенью его поляризации с помощью ориентации вектора поляризации излучения накачки относительно осей симметрии квазиэллиптического профиля поперечного сечения микроволокна. Максимальная ширина спектра, наиболее гладкая форма и наибольшая степень поляризации (до 97%) достигаются при совмещении плоскости поляризации вход-
ного излучения с одной из осей симметрии. Полученный суперконтинуум характеризуется гауссовым поперечным профилем интенсивности излучения на выходе образцов микросветоводов и высокой степенью когерентности генерируемых частот.
В Четвертой главе приведены результаты детального исследования спектральной и временной структуры суперконтинуума, генерируемого в биконических микросветоводах при накачке фемтосекундными импульсами, спектр которых попадает в диапазон аномальной дисперсии образцов.
В 10 приведён обзор опубликованных данных по механизмам формирования суперконтинуума в дырчатых световодах с накачкой фемтосекундными импульсами с энергией -1 нДж.
В 11 изложены результаты исследования особенностей спектральной структуры суперконтинуума, генерируемого в биконических микросветоводах при накачке фемтосекундными импульсами в случае, когда спектр импульсов накачки попадает в диапазон аномальной дисперсии образцов.
В экспериментах использован образец биконического микросветовода с длиной волны нулевой дисперсии 755 им накачке 50-фс импульсами со спектром вблизи длины волны 805 нм и пиковой мощностью до 25 кВт. В данных условиях наблюдается эффект трансформации спектра импульсов накачки в отдельные, отчетливо выраженные, спектральные компоненты. При увеличении пиковой мощности исходного импульса наблюдается увеличение числа спектральных компонент, смещение спектра каждой из них в длинноволновую область и появление (относительно маломощного) излучения в видимой области. Полученные результаты сопоставлены с данными по генерации суперконтинуума в биконических микросветоводах при накачки импульсами в области нормальной дисперсии образцов (8), результатами численного моделирования распространения фемтосекундных импульсов в области аномальной дисперсии биконических микросвстоводов и опубликованным данным по механизмам формирования суперконтинуума в дырчатых световодах (10). На основании проведённого анализа сделан вывод о том, что наблюдаемый эффект трансфор-
мации спектра импульсов накачки связан с явлением генерации самосдвинутых по частоте солитонов.
В 12 представлены результаты исследования временной структуры суперконтинуума, генерируемого в биконических микросветоводах при накачке фемтосекундными импульсами в области аномальной дисперсии образцов. Описана экспериментальная установка для исследования временной структуры излучения со спектром в диапазоне 400 - 1400 нм с использованием метода генерации суммарной частоты компонентами исследуемого излучения и опорным импульсом с известной длительностью в сканируемом по углу синхронизма нелинейном кристалле. Представлены результаты по регистрации временной структуры суперконтинуума и её изменению с ростом пиковой мощности импульсов накачки. Проведено сопоставление экспериментальных данных по временной структуре суперконтинуума с данными, полученными численным моделированием распространения фемтосекундных импульсов в области аномальной дисперсии образцов биконических микросветоводов. На основании полученных экспериментальных данных и их анализа сделан вывод о том, что основным механизмом формирования суперконтинуума в данных условиях является генерация и распад солитона высокого порядка на фундаментальные со-литоны, спектр каждого из которых смещён в длинноволновую область за счет эффекта самосдвига частоты солитона.
В заключении и в выводах к главам сформулированы основные результаты диссертационной работы.
Основные результаты диссертационной работы опубликованы в работах [138-164].
Основные результаты докладывались и обсуждались на 2-ом Межд. симпозиуме "Современные проблемы лазерной физики" (Новосибирск, 1997), 11-ой Межд. Вавиловской конф. (Новосибирск, 1998), 16-ой Межд. конф. по когерентной и нелинейной оптике "ICONO'98" (Москва, 1998), 4-ой Всерос. школе-семинаре "Люминесценция и сопутствующие явления" (Иркутск, 1998), 4-ой Межд. конф. "AMPL'99" (Томск, 1999), 3-ем Межд. симпозиуме "Современные
проблемы лазерной физики" (Новосибирск, 2000), Межд. конф. "CLEO/Europe 2000", (Ницца, Франция, 2000), Летней школе по фоточувствительности в оптических волноводах и стеклах "POWAG'2002" (Санкт-Петербург, 2002), Межд. конф. "IQEC/LAT'2002" (Москва, 2002), Межд. конф. "OFC2003" (Атланта, США, 2003), 9-ом Межд. семинаре по теории оптических волноводов и численному моделированию (Прага, Чешская республика, 2003), Межд. конф. "CLEO/Europe-EQEC'2003" (Мюнхен, Германия, 2003), Межд. конф. "CLEO/Pacific Rim 2003" (Тайпей, Тайвань, 2003), Межд. конф. по нелинейным направленным волнам и их применению (Торонто, Канада, 2004), Летней школе "Summer-School on Advanced Glass-Based Nano-Photonics, POWAG'2004" (Бас, Великобритания, 2004), 9-ой Межд. школе-семинару по люминесценции и лазерной физике "ЛЛФ-2004" (Иркутск, 2004). Основные положения, выносимые на зашиту:
Предложенная новая схема сканирующего интерференционного автокоррелятора с использованием качающейся двулучепреломляющей пластины для создания переменной оптической задержки реплик светового импульса позволяет регистрировать автокорреляционные функции интенсивности поля лазерных импульсов с длительностью в фемтосекундном и субпикосекунд-ном диапазонах.
Ширина спектра суперконтинуума, генерируемого в биконическом микросветоводе с круговым сечением перетяжки при накачке импульсами фемто-секундной длительности, изменяется при перестройке спектра импульсов накачки вблизи длины волны нулевой дисперсии микросветовода.
Максимальная ширина спектра поляризованного суперконтинуума, генерируемого в сдвоенном биконическом микросветоводе с квазиэллиптическим сечением перетяжки при накачке импульсами фемтосекундной длительности, достигается при совмещении плоскости поляризации излучения накачки с одной из осей симметрии профиля поперечного сечения перетяжки микросветовода. При этом также достигается наиболее гладкая форма спектра суперконтинуума и наибольшая степень его поляризации (до 97 %).
4. В биконическом микросветоводе при накачке импульсами фемтосекундной длительности, спектр которых попадает в область аномальной дисперсии образца, реализуется режим многосолитонной генерации. При этом с ростом входной мощности излучения накачки наблюдается увеличение числа соли-тонных компонент и эффект смещения спектра каждой из них в длинноволновую область.
Устройство фемтосекундного лазера на сапфире с титаном и синхронизацией мод на основе нелинейности Керра
Из перечисленных выше физических механизмов явление самофокусировки оказывает двоякое влияние на сверхуширение спектра СКИ в объёмных средах. С одной стороны, самофокусировка, за счет дополнительного вклада в ФСМ, приводит к увеличению ширины спектра СК. С другой стороны, когда мощность затравочного излучения превышает некоторую критическую величину (пороговую мощность фокусировки Рсг), развивается поперечная нестабильность, которая приводит к расщеплению пучка на несколько отдельных нитей (филаментация) [27], что ухудшает качество формируемого СК и увеличивает чувствительность его параметров к возмущениям среды (флуктуации температуры, плотности и показателя преломления) и затравочного излучения (шумы амплитуды, частоты, фазы и поляризации). При достижении пороговой мощности самофокусировки Рсг, даваемой формулой фокусируемое излучение СКИ схлопывается в нить на характерной длине самофокусировки Zs{ [28] (в приближении гауссова пучка):
В формулах (3) и (4) Я- длина волны излучения, к = волновой вектор, w0 А радиус перетяжки пучка, п0- линейный показатель преломления среды, пг- нелинейный показатель преломления среды, выраженный в см2/Вт, Рд и Рс пиковая мощность СКИ и критическая мощность самофокусировки (выраженные в Ваттах). Оценки по формулам (В.З), (В.4) дают для характерных длин самофокусировки в различных материалах (плотность мощности - 1,5х1012
Вт/см , радиус перетяжки пучка wo 50 р.м): Таким образом, при генерации СК в объёмных средах, длина рабочей среды ограничивается величиной порядка характерной длины самофокусировки Zsf, и на практике лежит в пределах от долей миллиметра до нескольких миллиметров.
Значительное снижение порога наблюдения нелинейно-оптических явлений (в частности, генерации СК) по энергии импульсов накачки достигается при использовании волоконных световодов. Технология изготовления современных волоконных световодов из кварцевого стекла обеспечивает потери в них не более 0.1 дБ/км в области ближнего инфракрасного диапазона. Эффективность Aeff протекания нелинейно-оптических явлений в среде определяется произведением нелинейного показателя преломления, эффективной длины взаимодействия и плотности мощности импульса накачки:
В работе [20] приведена оценка отношения эффективностей нелинейно-оптических явлений A ejT, F в волоконном световоде длиной L, и бесконечной объемной среде A effiv (в приближении Гауссова пучка): где, PF , Pv - пиковые мощности импульсов накачки в световоде и объемной среде, d - диаметр сердцевины одномодового световода (характерное значение d = 8 мкм для длины волны 1,3 мкм.). При значениях отношения n2,F / Щу Ю"2 (кварцевое стекло и сероуглерод CS2, имеющий одно из наибольших значений нелинейного коэффициента п2) и значении отношения PF / Pv Ю", значение отношения эффективностей нелинейно-оптических явлений становится -1 при длине волокна порядка сотен метров. Таким образом, при использовании волоконных световодов для генерации СК, за счет волноводного эффекта и больших длин световодов возможно снижение энергии импульсов накачки до уровня 1 нДж. Ещё одним существенным преимуществом волоконных световодов явля ется возможность эффективного протекания нелинейных процессов в отсутствии самофокусировки излучения.
В результате систематических исследований нелинейно-оптических явлений в кварцевых световодах были выявлены некоторые новые физические механизмы, дающие, наряду с волоконной ФСМ [29], существенный вклад в изменение в них спектра СКИ. Среди этих механизмов: солитонный режим распространения импульса [30,31]; самосдвиг центральной частоты солитона вниз за счет эффекта вынужденного комбинационного рассеяния [32,33]; эволюция солитона высокого порядка [34-36]; модуляционная неустойчивость спектральных компонент затравочного импульса, попадающих в область аномальной дисперсии световода [37]; генерация несолитонного (дисперсионные волны, оптический эффект Черепкова) излучения затравочными импульсами с длиной волны, лежащей в области аномальной дисперсии световода вблизи точки нулевой дисперсии [38-40].
Интенсивные исследования особенностей генерации СК в волоконных световодах были предприняты в рамках задач оптических систем связи на основе спектрально-широкополосных лазерных источников световых импульсов с гигагерцовой частотой следования. Основными компонентами подобных систем генерации СК являются: пикосекундные источники световых импульсов (волоконные или полупроводниковые лазеры с синхронизацией мод), волоконный усилитель мощности на основе легированного эрбием волокна, волоконный генератор СК (характерные длины волокна - от нескольких сотен метров до нескольких километров). Типичные характеристики излучения на выходе таких систем, полученные к настоящему времени: ширина спектра СК (вблизи центральной длины волны 1555 нм) свыше 300 им, частота повторения -10 ГГц, средние выходные мощности -100 мВт [41].
Минимальная длительность импульсов, достоверно определяемая разработанным автокоррелятором и применение светоизлучающего диода в качестве нелинейного фотоприемника для регистрации ИАКФ СКИ
Цель параграфа - обоснование актуальности разработки лазера фемтосе-кундных (менее 100 фс) световых импульсов, краткий анализ наиболее важных работ по генераторам фемтосекундного излучения, мотивировка выбора в качестве активной среды разработанного лазера кристалла сапфира с ионами титана.
Лазерное излучение в виде последовательности фемтосекундных импульсов (длительностью менее 100 фс) дает уникальные возможности решения многих научных и прикладных задач. Область применения фемтосекундных генераторов включает: изучение новых физических эффектов, возникающих при взаимодействии ультракоротких импульсов с полупроводниками, биологическими объектами и другими средами; спектроскопию с высоким временным разрешением; управление химическими реакциями; получение сверхсильных световых полей; стандарты частоты; оптическую томографию; диагностику и воздействие на опухолевые ткани при фото динамической терапии и другие задачи.
Принципиальным вопросом при выборе активной среды для генерации импульсов фемтосекундой длительности является ширина её контура усиления. Предельная длительность Дт импульса связана с шириной его спектра Av соотношением [57]:
Для импульсов с длительностью порядка десятков фемтосекунд ширина контура усиления должна составлять по порядку величины десятки нанометров. Существует ряд активных лазерных сред, контуры усиления которых обеспечивают генерацию фемтосекундных импульсов. Среди них: растворы органических красителей; стекла, кристаллы и волокна активированные ионами неодима, титана, хрома, иттербия, эрбия; кристаллы с центрами окраски.
Лазеры, в контур усиления активного вещества которых попадет много продольных резонаторных мод и обеспечивается строгая эквидистантность спектра частот генерируемых мод и жесткая синхронизация их фаз, могут генерировать излучение в виде последовательности коротких импульсов. Получаемый при этом режим генерации принято называть режимом синхронизации мод. Для получения подобного режима теоретически и экспериментально разработаны и реализованы несколько методов, среди которых: активная синхронизация мод, синхронная накачка, пассивная синхронизация мод, гибридная синхронизация (комбинированное действие синхронной накачки и пассивной синхронизации) [58].
Основным методом генерации импульсов с длительностью менее 100 фемтосекунд является пассивная синхронизация мод при непрерывной лазерной накачке широкополосной усиливающей среды и внутрирезонаторной компенсацией дисперсионного расплывания. Для его реализации внутри резонатора лазера размещается дополнительный оптический элемент, прозрачность которого в определённом диапазоне длин волн увеличивается с ростом интенсивности падающего на него излучения, то есть поглощающая способность этого элемента имеет тенденцию к насыщению. Общепринятое название устройств -нелинейные насыщающиеся поглотители. Примерами широко используемых поглотителей являются растворы некоторых органических красителей и оптические элементы на основе полупроводниковых структур [59]. При включении накачки и превышении порога внутри резонатора лазера с активной широкополосной средой возникает генерация на многих продольных модах, флуктуирующая во времени. При распространении через активную среду и насыщающейся поглотитель происходит изменение временного профиля интенсивности внутрирезонаторного лазерного излучения. При последовательных проходах через резонатор слабые шумовые выбросы излучения будут ослабляться нелинейным поглотителем в большей степени, чем более интенсивные. Дальнейшая дискриминация обеспечивается совместным действием эффектов просветления поглотителя, насыщения усиления активной среды и компенсации дисперсионного расплывания. В результате, в резонаторе будет циркулировать одиночный ультракороткий импульс на частоте равной или кратной частоте обхода резонатора.
Впервые генерация импульсов с длительностью порядка десятков фемто-секунд была осуществлена в струйных лазерах на красителях с внутрирезона-торной компенсацией дисперсии. В этих системах накачка активной среды производится лазером непрерывного излучения или лазером с активной синхронизацией мод, а кроме струи активного красителя внутри резонатора размещается струя насыщаемого поглотителя. Одна из модификаций такого лазера (накачиваемый непрерывным аргоновым лазером кольцевой лазер со сталкивающимися в струе насыщающегося поглотителя импульсами и внутрирезона-торным 4-призменным компрессором) позволила получить импульсы с центральной длиной волны 615 нм, длительностью 27 фс, частотой следования 100 МГц при средней мощностьи 40 мВт [60]. Сообщалось о генерации фемтосе-кундных импульсов в лазерах на красителях в спектральном диапазоне 580-680 нм и вблизи длины, волны 850 нм. К недостаткам подобных систем можно отнести малую энергию импульса (десятые доли наноджоуля), узкий спектральный диапазон в котором существуют подходящие пары «краситель-активная среда» + «краситель-насыщающийся поглотитель» (большая часть исследований, связанных с этой техникой, была проведена с использованием лазера с парой R6G + DODCI, спектральный диапазон - видимая область шириной несколько десятков нанометров с центральной длиной волны 620 нм), деградацию обоих типов красителей с течением времени. В ближней инфракрасной области спектра (700-1600 нм) генерация фем-тосекундных импульсов получена в лазерах, активными средами которых являются твердотельные оптические элементы (кристаллы и стёкла), в исходные матрицы которых внедрены ионы таких элементов, как титан, неодим, хром, иттербий. Сводные данные по доступным спектральным областям и экспериментально полученным длительностям импульсов в некоторых из подобных сред приведены в таблице 1.1.
Генерация импульсов с длительностью менее 100 фс достигается в лазерах со всеми указанными в таблице 1.1 активными средами с использованием полупроводниковых насыщающихся поглотителей и внутрирезонаторной компенсацией дисперсии. Характерные энергии импульсов - несколько наноджо-улей при частоте повторения 100 МГц.
Генерация суперконтинуума в биконических микросветоводах с круговым сечением перетяжки
Эффект астигматического искажения пучка, падающего на сферическое зеркало под углом, отличным от нормального, приводит к неравенству расстояний от зеркала до перетяжек, радиусов перетяжек и конфокальных параметров пучка в тангенциальной и сагиттальной плоскостях резонатора. К аналогичным искажениям приводит использование внутри резонатора активной среды в форме плоско-параллельной пластины, повёрнутой под углом Брюстера к формируемому пучку. Указанный эффект приводит к снижению степени перекрытия формируемого пучка и пучка накачки в активной среде, увеличению пороговой мощности накачки и снижению эффективности лазерной генерации. Согласование параметров пучка внутри активной среды в астигматическом резонаторе («компенсация астигматизма резонатора») достигается при определённой ориентации фокусирующих зеркал относительно кристалла сапфира, зависящей от их радиусов кривизны и толщины и показателя преломления кристалла. Метод расчёта углов ориентации изложен в работах [80, 81].
Особая конфигурация резонатора лазера позволяет сформировать внутри кристалла сапфира с титаном электромагнитное поле с распределением, близким к распределению моды низшего порядка с гауссовым профилем поля в поперечном сечении (ТЕМоо мода) и диаметром перетяжки в активной среде близким к диаметру перетяжки пучка накачки и составляющим несколько десятков микрометров. При тщательном совмещении внутри кристалла перетяжек пучка накачки и пучка генерации возможна реализация механизма синхронизации мод лазера, основанного на изменении пространственного профиля пучка в результате самофокусировки, вызванной оптическим эффектом Керра.
Основа эффекта - зависимость показателя преломления от плотности мощности распространяющейся в среде электромагнитной волны - показатель преломления среды, п2 - коэффициент нелинейности, Р -плотность мощности. При распространении через среду из-за неоднородности распределения плотности мощности в поперечном сечении пучка генерации центральные и периферийные его части будут испытывать различный набег фазы - образуется так называемая Керровская линза. Керровская нелинейность относится к типу «быстрой» электронной нелинейности, характерное время изменения показателя преломления под действием сильного поля составляет величину порядка 10 15 с. Значение величины нелинейного коэффициента для сапфира ii2 = 3.1 10"16 CM2/W.
Во многих нелинейных системах стационарное волновое состояние оказывается неустойчивым, совместное действие нелинейных и дисперсионных эффектов приводит к его модуляции. В случае твердотельного лазера это проявляется в одновременном существовании внутри резонатора режима непрерывной генерации и режима неполной синхронизации мод. На выходе из лазера излучение постоянного уровня мощности сменяется случайными во времени импульсами с много большей интенсивностью.
Подобный шумовой выброс внутрирезонаторного электромагнитного поля (который может быть вызван, например, искусственной кратковременной разъюстировкой резонатора) приводит к формированию внутри кристалла первоначально слабой, длиннофокусной Керровскои линзы. Дополнительная фокусировка вызывает изменения диаметров и радиусов кривизны пучка генерации в некоторых местах резонатора. При определенной геометрии (задаваемой расстояниями между оптическими элементами и их фокусирующими свойствами) изменения могут усиливаться и приводить к более полному совмещению объема моды внутри кристалла с объемом, поглотившим излучение накачки (синхронизация мод с «мягкой» апертурой) [82], или возрастанию пропускания через подходящим образом расположенную внутри резонатора, диафрагму (синхронизация мод с «жесткой» апертурой) [83]. Действия этих эффектов подобны действию внесенного в резонатор «быстрого» (время релаксации просветления много короче времени обхода резонатора) насыщающегося поглотителя, формированию амплитудной модуляции излучения, увеличению её глубины и, таким образом, к подавлению режима непрерывной генерации и существованию только режима генерации в виде импульсов.
При распространении внутри резонатора формируемый импульс испытывает влияние эффектов дисперсии групповой скорости и нелинейной фазовой самомодуляции, под действием которых различные спектральные компоненты импульса испытывают разный фазовый набег. Это ведет к увеличению длительности импульса, снижению пиковой мощности и, как следствие, ухудшению действия механизма Керровскои линзы. При математическом описании эффекты дисперсии учитываются разложением постоянной распространения (3 спектральной компоненты со импульса в ряд Тейлора вблизи центральной частоты.
С показателем преломления п среды и его производными по длине волны параметры рь р2 связаны соотношениями: Огибающая импульса движется с групповой скоростью vg = 1/рь а параметр р2 дисперсии второго порядка определяет уширение импульса. В диапазоне длин волн генерации сапфира с ионами титана его параметр дисперсии $2 0 длинноволновые компоненты спектра импульса опережают коротковолновые.
Для компенсации дисперсии (как правило, положительной), вносимой активной средой и оптикой лазера, внутри резонатора размещается дополнительный оптический элемент, задача которого - создание отрицательной дисперсии групповой скорости и возможности ее плавной подстройки относительно выбранного значения. Такое устройство принято называть компрессором импульсов и, в простейшем и практически важном случае, представляет собой набор нескольких брюстеровских призм - призменный компрессор (4 призмы для кольцевого резонатора и 2 призмы для линейного) [84]. Необходимая величина отрицательной дисперсии устанавливается выбором расстояния между призмами, а плавная её регулировка - смещением одной из призм поперёк пучка генерации. За полный обход резонатора формируемый импульс испытывает периодическое «уширяющее» действие активной среды и оптики, и равное по величине, но противоположное по знаку «сжимающее» действие призменного компрессора. Таким образом, формируются стационарная форма и длительность импульса. Оценки расстояния между призмами компрессора для компенсации дисперсионного расплывания в кристалле сапфира длиной 5 мм, согласно формулам указанной работы, дают, например, для призм из плавленого кварца - 60 см, для призм из стекла марки ТФ7 - 20 см.
Генерация солитонов в биконических микросветоводах при фемтосекундной накачке
Типичные параметры кристаллов сапфира с титаном, использованных при разработке опытного образца фемтосекундного лазера и его последующих модификаций, изготовленных для различных научных организаций: обе рабочие поверхности кристаллов вырезаны под углом Брюстера, длины кристаллов от 4.75 мм до 5.3 мм, коэффициенты поглощения на длине волны 514 нм (накачка) от 2.8 см"1 до 3.4 см"1, отношение коэффициента поглощения на длине волны 514 нм к коэффициенту поглощения на длине волны 790 нм (центр рабочего диапазона) не ниже 150.
Исследование и сравнение эффективностей непрерывной лазерной генерации коротких высококонцентрированных кристаллов сапфира с титаном проводилось в одинаковых условиях, с использованием упрощенной 4-зеркалыюй схемы резонатора, показанной на рис. 1.3, с целью устранения возможного влияния особенностей внутрирезонаторных оптических элементов. Кристаллы размещались в тепловом контакте с медными радиаторами с водяным охлаждением. Котировочный узел кристаллов позволял производить перемещения по трём линейным координатам (поперёк и вдоль пучка накачки) и двум угловым (относительно оси пучка накачки и относительно нормали к рабочей поверхности кристалла). Рабочие поверхности зеркал резонатора имели высококачественные широкополосные диэлектрические покрытия с характерными ширинами «плоских» участков зависимости коэффициента отражения от длины волны порядка нескольких десятков нанометров.
Параметры оптических элементов резонатора: радиусы кривизны рабочих поверхностей сферических зеркал Ml и М2 - 100 мм; задняя поверхность зеркала Ml - сферическая с радиусом кривизны 100 мм; заднее зеркало ВМ - плоское; коэффициенты отражения зеркал М2 и ВМ в диапазоне длин волн близком к максимуму усиления сапфира с титаном ( 790 нм) - 99,9 %; покрытие рабочей поверхности зеркала Ml изготовлено таким образом, чтобы коэффициент отражения вблизи длины волны 790 нм составил 99,9 %, а пропускание вблизи длин волн лазера накачки составило 85 - 95 %. Зеркало ОМ - выходное, обе поверхности плоские, угол между ними не менее 0.5 (для устранения эффекта обратной связи при отражении от второй поверхности зеркала), пропускание внутрирезонаторного покрытия 7-8 %. Фокусное расстояние линзы L, формирующей перетяжку излучения накачки в кристалле, составляло 100 мм; обе поверхности линзы, а также задняя поверхность зеркала Ml имели просветляющие покрытия с коэффициентом отражения в области длин волн накачки не более 0.5 % на каждой поверхности. Расстояния от сферических зеркал до выходного и заднего зеркал устанавливались одинаковыми и равными 100 см. Угол падения внутрирезонаторного излучения на сферические зеркала, необходимый для компенсации астигматизма, вносимого сферическими зеркалами и лазерным кристаллом, рассчитан по формулам работы [79], и для указанных параметров оптических элементов и кристалла составил -8. В качестве лазера накачки при испытаниях всех кристаллов использовался аргоновый ионный лазер фирмы "Coherent" с линейно поляризованным излучением с интегральной мощностью во всех линиях до 8 Вт. Средняя выходная мощность лазерного излучения контролировалась измерителем LPM-905.
Энергетические характеристики лазерных кристаллов, с использованием которых впоследствии был получен режим синхронизации мод, в режиме непрерывной генерации составили: пороговая мощность накачки 1.5 - 2.5 Вт, коэффициент преобразования мощности излучения накачки, падающей на кристалл, в мощность выходного излучения титан-сапфирового лазера 10 - 15 % (пропускание выходного зеркала 7%) вблизи длины волны 790 нм. При экспериментальном исследовании возможности генерации в режиме синхронизации мод на основе Керровской линзы вспомогательный 4-зеркальный резонатор был дополнен оптическим компрессором с призмами Р1 и Р2 из плавленого кварца (см. рис. 1.4). Углы при рабочих вершинах призм выбраны для минимального отклонения внутрирезонаторного пучка генерации с заданной центральной длиной волны [89].
Проводимые исследования были ориентированы на уровень мощности лазера накачки 4,5-5 Вт. Указанная величина достижима во всех перечисленных в таблице 1.2 типах лазеров, а для лазеров, способных генерировать большую мощность, соответствует средним (не предельным) нагрузкам на активные элементы и источники питания.
При разработке опытного образца фемтосекундного генератора был использован кристалл производства компании "Crystal Systems" (рабочие поверхности вырезаны под углом Брюстера, длина 4.75 мм, коэффициент поглощения 3.4 см" на длине волны 514 нм, отношение поглощения на длине волны накачки к поглощению на рабочей длине волны больше 150). Пропускание выходного зеркала уменьшено до 3.5%, мощность накачки всех линий аргонового ионного лазера составляла 4.5 Вт. Оценка расстояния между призмами Р1 и Р2 компрессора (см. рис 1.4) проведена по формулам работы [84] и для указанной длины кристалла составила 58 см. Контроль возникновения режима синхронизации мод осуществлялся в частотной области по характерному уширению спектра (первый порядок дифракционной решетки от 600 до 1200 штрихов/миллиметр), во временной области - на лавинном фотодиоде типа ЛФД - 2.
