ГЕНЕРАТОР ФЕМТОСЕКУНДНЫХ ИМПУЛЬСОВ Российский патент 2005 года по МПК H01S3/81 H01S3/98 

Изобретение относится к устройствам для генерирования ультракоротких (10^-13 ÷^{10-15 с) световых импульсов и может быть использовано во многих областях как науки (спектроскопия сверхвысокого временного разрешения, исследования по короткоимпульсным источникам и лазерам рентгеновского и УФ диапазонов частот, лазерное ускорение заряженных частиц, термоядерный синтез), так и техники (микроэлектроника, прецизионная обработка материалов, создание устройств оптической памяти, тонкие хирургические операции).}

Известно, что для генерирования ультракоротких фемтосекундных световых импульсов необходимо обеспечение трех условий: во-первых, наличие широкополосной активной среды в резонаторе генератора; во-вторых, синхронизация очень большого числа мод в упомянутом резонаторе; и в-третьих, полная компенсация положительной дисперсии, вносимой в резонатор упомянутой активной средой (П.Г.Крюков "Лазерные ультракороткие импульсы и их применение". Волоконно-оптические технологии, материалы и устройства, №2, 1999, с.63-96).

В настоящее время в качестве широкополосной активной среды в резонаторе генератора фемтосекундных импульсов чаще всего используют твердотельные кристаллы из группы вибронных кристаллов: Ti³⁺ : Аl₂O₃ (сапфир), Cr⁴⁺ : YAG (черный гранат); Cr³⁺ : LiSrAlF₆; Cr⁴⁺ : Mg₂SiO₄ (форстерит).

Всем перечисленным выше условиям генерирования ультракоротких импульсов удовлетворяет известная конструкция генератора фемтосекундных импульсов на твердотельном кристалле, а именно на сапфире, легированном ионами титана и обычно обозначаемом в публикациях Ti:Sa, с кольцевым резонатором и компенсатором дисперсии в виде двух пар призм из фторида серы SF (Патент США №5383198, М.кл.⁶ Н 01 S 3/098, публик. 1995 г.). Этот известный генератор фемтосекундных импульсов на кристалле Ti:Sa содержит аргоновый лазер накачки для указанного кристалла Ti:Sa и кольцевой резонатор, образованный глухим плоским зеркалом, полупрозрачным плоским зеркалом, фокусирующей системой из первого и второго вогнутых зеркал и компенсатором дисперсии в виде оптически связанных между собой двух пар призм. Внутри упомянутой фокусирующей системы из вогнутых зеркал установлена активная среда в виде кристалла Ti:Sa. Данная конструкция генератора фемтосекундных импульсов обеспечивает ультракороткие световые импульсы следующей длительности: для излучения, распространяющегося в кольцевом резонаторе в направлении по часовой стрелке (in clokwise direction, CW), получены импульсы с длительностью порядка 95 фс (фемтосекунд), а для излучения, распространяющегося в направлении против часовой стрелки (in counter-clockwise direction, CCW), получены импульсы с длительностью 60 фс. Использование кольцевого резонатора в данной конструкции обеспечивает фемтосекундный режим работы генератора в центре области устойчивости резонатора, что позволяет получить оптимальную выходную мощность и использовать для работы генератора кристаллы Ti:Sa со стандартной концентрацией ионов титана 0,05÷ 0,1%, длиной 10÷ 20 мм, выпускаемые как за рубежом, так и отечественной промышленностью. Кроме того, в такой конструкции генератора импульс излучения за полный обход по резонатору только один раз проходит через активную среду, поэтому дисперсия, вносимая в резонатор активной средой, оказывается в два раза меньше по сравнению со случаем использования линейного резонатора. Однако данная конструкция очень сложна в настройке, поскольку для возникновения и поддержания режима генерации фемтосекундных импульсов необходимо выравнивать расстояния между призмами компенсатора дисперсии в каждой паре с высокой точностью (погрешность не более десятка микрометров), из-за этого даже небольшие изменения положения какой-либо из четырех призм компенсатора срывают генерацию фемтосекундных импульсов. Кроме того, для запуска режима фемтосекундных импульсов в данной конструкции требуется специальное дополнительное оптико-механическое приспособление, выполненное в виде дополнительного глухого плоского зеркала с механизмом возвратно-поступательного перемещения.

Более удобной для запуска и эксплуатации является конструкция генератора фемтосекундных импульсов с кольцевым резонатором, в котором в качестве компенсатора положительной дисперсии активной среды используются так называемые чирпированные многослойные диэлектрические зеркала (международная заявка WO 00/72412 А1, М.кл.⁷ Н 01 S 3/098, публик. 30.11.2000 г.). Эта конструкция генератора на кристалле Ti:Sa содержит лазер накачки для кристалла Ti:Sa и кольцевой резонатор, образованный тремя глухими чирпированными плоскими зеркалами, полупрозрачным выходным зеркалом и фокусирующей системой из первого и второго вогнутых зеркал. Внутри упомянутой фокусирующей системы установлена активная среда в виде кристалла Ti:Sa. Данная конструкция позволяет получать ультракороткие световые импульсы длительностью 25 фс. Используемые в этой конструкции чирпированные зеркала должны обеспечивать не только максимальное отражение в требуемой широкой области спектра, но и вносить необходимое линейное изменение фазы от длины волны (чирп). Однако фазовые характеристики чирпированных зеркал чрезвычайно чувствительны даже к незначительным вариациям толщины диэлектрических слоев, из которых они состоят, что предъявляет жесткие требования к точности их расчета и изготовления, поэтому стоимость их достигает нескольких тысяч долларов. Каждое чирпированное зеркало при отражении излучения хорошо компенсирует только малые величины положительной дисперсии в ограниченном спектральном диапазоне. Чаще всего вводят несколько специально подобранных пар этих зеркал, а внутри каждой пары организуют многопроходовое отражение, чтобы в сумме отрицательные дисперсии, возникающие при каждом отражении от чирпированных зеркал, компенсировали положительную дисперсию активной среды. Уменьшение оптической длины активной среды (кристалла Ti:Sa) до 2÷ 3 мм позволяет уменьшить положительную дисперсию в резонаторе и тем самым позволяет ослабить требования к фазовым характеристикам чирпированных зеркал, однако уменьшение длины кристалла Ti:Sa требует повышения концентрации ионов титана (Ti³⁺) до 0,25% при сохранении высоких лазерных характеристик кристалла, т.е. в этом случае требуются специально изготовленные высоколегированные кристаллы, которые не выпускаются отечественной промышленностью, что также удорожает стоимость конструкции генератора. Кроме того, в случае использования кристалла Ti:Sa с малыми размерами, например, с длиной кристалла 2,2 мм, как указанно в данном патенте, серьезной технической проблемой становится отвод тепла от кристалла.

Более проста в настройке режима генерации фемтосекундных импульсов и более стабильна в работе конструкция генератора с линейным резонатором, в котором в качестве компенсатора дисперсии служит пара оптически связанных призм (патент США №5799025, М.кл.⁶ H 01 S 3/098, публ. 1998 г.). Эта конструкция, выбранная в качестве прототипа, содержит лазер накачки для активной среды и линейный резонатор, образованный глухим плоским зеркалом, первым и вторым вогнутыми зеркалами и полупрозрачным плоским зеркалом. Активная среда установлена внутри фокусирующей системы, образуемой упомянутыми первым и вторым вогнутыми зеркалами. При этом резонатор снабжен компенсатором дисперсии в виде оптически связанной посредством дополнительного плоского зеркала последовательности двух призм, которые размещены между упомянутыми вторым вогнутым зеркалом и глухим плоским зеркалом, а первое вогнутое зеркало оптически связано с упомянутым полупрозрачным плоским зеркалом. В частном случае выполнения данной конструкции в качестве активной среды использован кристалл Ti:Sa обычной длины 15 мм со стандартной концентрацией ионов титана. Эта конструкция обеспечивает генерацию ультракоротких световых импульсов с длительностью порядка 100 фс и с возможностью перестройки как ширины спектра этих импульсов (за счет перемещения призм), так и центральной частоты генерации (за счет поперечного перемещения щели, установленной перед упомянутым глухим плоским зеркалом).

Недостатком генератора прототипа является довольно большая длительность фемтосекундных импульсов (100 фс) и невозможность получения более коротких импульсов из-за неэффективной компенсации положительной дисперсии групповой скорости в резонаторе.

Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является разработка конструкции относительно недорогого, легко настраиваемого, устойчиво работающего и перестраиваемого генератора фемтосекундных импульсов, позволяющего получать световые импульсы с длительностью порядка 10 фс и меньше.

Технический результат в разработанном генераторе фемтосекундных импульсов достигается тем, что он, как и генератор прототип, содержит резонатор с активной средой и лазер накачки, при этом резонатор включает в себя глухое плоское зеркало, полупрозрачное плоское зеркало, фокусирующую систему из первого и второго вогнутых зеркал, в которой установлена упомянутая активная среда, оптически связанная с лазером накачки. Резонатор снабжен также компенсатором дисперсии в виде оптически связанной последовательности двух призм, установленных на расстоянии d друг от друга, которые размещены между упомянутыми вторым вогнутым зеркалом и глухим плоским зеркалом, а первое вогнутое зеркало оптически связано с полупрозрачным плоским зеркалом.

Новым в разработанном генераторе является то, что в резонатор введены первое и второе вспомогательные глухие зеркала, оптически связанные друг с другом, второе вспомогательное зеркало оптически связано с полупрозрачным плоским зеркалом, а упомянутое глухое плоское зеркало наклонено на малый угол α , выбираемый из интервала 1^/<α <60^/, относительно вертикальной плоскости, перпендикулярной плоскости падения луча. При этом первое вспомогательное зеркало расположено на расстоянии L>d от глухого плоского зеркала и установлено со смещением в вертикальной плоскости относительно уровня других зеркал на величину Ltgα .

В первом частном случае изготовления генератора фемтосекундных импульсов целесообразно упомянутое глухое плоское зеркало наклонить на малый угол α , выбираемый из интервала 1^/<α <60^/, против часовой стрелки относительно вертикальной плоскости, перпендикулярной плоскости падения луча, при этом первое вспомогательное зеркало, расположенное на расстоянии L>d от глухого плоского зеркала, следует установить со смещением вниз на величину Ltgα в вертикальной плоскости относительно уровня других зеркал.

Целесообразно во втором частном случае изготовления генератора обе призмы компенсатора дисперсии выполнить из материала LiF (фторид лития), а в качестве активной среды использовать кристалл Ti:Sa.

В третьем частном случае целесообразно призмы компенсатора дисперсии расположить на расстоянии d=131,5 см друг от друга, а глухое плоское зеркало установить с наклоном относительно упомянутой вертикальной плоскости на угол α =12^/, при этом первое вспомогательное зеркало расположить на расстоянии L=150 см от глухого плоского зеркала и сместить его вниз в вертикальной плоскости на величину 5 мм.

На фиг.1 представлена схема разработанного генератора фемтосекундных импульсов.

На фиг.2 представлена экспериментально полученная функция автокорреляции интенсивности световых фемтосекундных импульсов, излучаемых разработанным генератором.

Генератор фемтосекундных импульсов, представленный на фиг.1, содержит резонатор, который состоит из первого вогнутого зеркала 1, втоpoгo вогнутого зеркала 2, первого вспомогательного глухого зеркала 3, второго вспомогательного глухого зеркала 4, полупрозрачного плоского зеркала 5 и глухого плоского зеркала 6. Резонатор снабжен компенсатором дисперсии в виде оптически связанной последовательности двух призм 7 и 8, установленных на расстоянии d друг от друга, которые размещены перед глухим плоским зеркалом 6. Глухое плоское зеркало 6 наклонено на малый угол α , выбираемый из интервала 1^/<α <60^/, относительно вертикальной плоскости, которая перпендикулярна двум плоскостям: плоскости чертежа и вертикальной плоскости, в которой лежит падающий луч. Нижняя граница (1^/ - одна угловая минута) интервала возможных углов наклона α зеркала 6 определяется дифракционной расходимостью лучей, распространяющихся в резонаторе, и должна быть, по крайней мере, в неcколько раз больше угла дифракционной расходимости, примерно равного 0,3^/. Верхняя граница интервала (60^/) определяется минимально допустимым искажением плоскости поляризации лучей, возникающим при таком отражении. Первое вспомогательное зеркало 3 расположено на расстоянии L>d от глухого плоского зеркала 6 и установлено со смещением вниз в вертикальной плоскости относительно уровня других зеркал на величину L tgα с возможностью обеспечения требуемой оптической связи. Так для излучения, распространяющегося против часовой стрелки (на чертеже обозначенном CCW), с возможностью обеспечения оптической связи по лучу, падающему на глухое зеркало 6, вогнутого зеркала 2 с призмой 7 компенсатора дисперсии, а по лучу, отраженному от зеркала 6, с возможностью обеспечения оптической связи призмы 7 с первым вспомогательным зеркалом 3. Для излучения, распространяющегося по часовой стрелке (на чертеже обозначенном CW), наоборот, с возможностью обеспечения по лучу, падающему на зеркало 6, оптической связи вспомогательного зеркала 3 с призмой 7, а по лучу, отраженному от зеркала 6, с возможностью обеспечения оптической связи призмы 7 со вторым вогнутым зеркалом 2. Смещение вспомогательного зеркала 3 в вертикальной плоскости вниз на величину L tgα соответствует повороту зеркала 6 на угол α против часовой стрелки относительно указанной вертикальной плоскости. Возможен поворот зеркала 6 на угол α по часовой стрелке, т.е. угол поворота будет - α . Такому углу поворота зеркала 6 будет соответствовать смещение вспомогательного зеркала 3 в вертикальной плоскости вверх на величину L tgα . Вогнутые зеркала 1 и 2 образуют фокусирующую систему, внутри которой установлена активная среда 9, оптически связанная с лазером накачки (на чертеже не показан).

В качестве активной среды 9 в разработанном генераторе могут быть использованы обычные кристаллы Ti:Sa со стандартной концентрацией ионов титана (Тi³⁺) в пределах 0,05÷ 0,1% длиной порядка 10 мм, выпускаемые отечественной промышленностью. В качестве лазера накачки для активной среды 9 может быть использован, например, серийно выпускаемый отечественный аргоновый лазер ЛГН-512. В частном случае изготовления генератора в качестве вогнутых зеркал 1 и 2 использованы дихроичные сферические зеркала с фокусным расстоянием 5 см, установленные с возможностью прецизионного продольного перемещения. В качестве глухих зеркал 3, 4 и 6 использованы плоские зеркала с многослойным диэлектрическим покрытием, обеспечивающим высокий коэффициент отражения в диапазоне 700-900 нм. В качестве полупрозрачного выходного зеркала 5 использовано многослойное диэлектрическое зеркало на клинообразной подложке с коэффициентом отражения 95%. В качестве призм 7 и 8 компенсатора дисперсии известно использование призм из кварца, фторида кальция или фторида серы.

В конкретном примере реализации разработанного генератора призмы 7 и 8 изготовлены из фторида лития LiF, при этом, как установлено авторами, отрицательная дисперсия, вносимая в резонатор парой призм 7 и 8 из LiF, оптимальным образом согласуется с положительной дисперсией активной среды (Ti:Sa). Призмы 7 и 8 установлены на расстоянии 131,5 см друг от друга с возможностью прецизионного перемещения в продольном и поперечном относительно луча направлениях. Первое вспомогательное зеркало 3 расположено на расстоянии L=150 см от глухого плоского зеркала 6 и установлено со смещением вниз в вертикальной плоскости на 5 мм. Глухое плоское зеркало 6 наклонено на угол α =12^/ относительно вертикальной плоскости, перпендикулярной двум плоскостям: плоскости чертежа и вертикальной плоскости, в которой лежит подающий луч.

Разработанный генератор фемтосекундных импульсов, представленный на фиг.1, работает следующим образом.

При накачке активной среды 9, расположенной в центре фокусирующей системы из вогнутых зеркал 1 и 2, в резонаторе возникает двунаправленная непрерывная генерация когерентного светового излучения. Обозначим луч, распространяющийся в направлении по часовой стрелке, CW, а луч, распространяющийся в направлении против часовой стрелки, - CCW. При этом луч CCW из левого плеча фокусирующей системы направляется вогнутым зеркалом 2 над вспомогательным зеркалом 3 на призмы 7 и 8 и падает на глухое плоское зеркало 6. Глухое вспомогательное зеркало 3 в данном случае не препятствует оптической связи зеркала 2 и призмы 7 за счет того, что смещено вниз в вертикальной плоскости на величину L tgα относительно уровня других зеркал резонатора. Глухое плоское зеркало 6 за счет своего наклона на упомянутый выше угол α относительно вертикальной плоскости, перпендикулярной плоскости падающего луча, направляет отраженный луч вниз под углом α к падающему лучу в той же вертикальной плоскости, в которой лежит падающий луч. Отраженный от зеркала 6 луч CCW проходит компенсатор дисперсии 7, 8 в обратном направлении и теперь попадает на первое глухое вспомогательное зеркало 3, поскольку за счет наклона зеркала 6 на угол α отраженный от него луч в плоскости зеркала 3 смещен вниз на величину L tgα относительно падающего луча. Вследствие чего луч CCW отражается первым вспомогательным зеркалом 3 в направлении второго вспомогательного зеркала 4, которое в свою очередь оптически связано с выходным полупрозрачным зеркалом 5. Выходное зеркало 5 часть излучения CCW выводит из резонатора, а большую часть направляет на вогнутое зеркало 1 (правое плечо фокусирующей системы). В результате чего видно, что для луча CCW линейный резонатор практически превращается в кольцевой, но, в отличие от кольцевого генератора аналога, с одной парой призм компенсатора дисперсии, которую излучение CCW проходит дважды.

То же самое происходит с лучом CW, распространяющимся из правого плеча фокусирующей системы. Луч CW вогнутым зеркалом 1 направляется на выходное полупрозрачное зеркало 5, которое часть излучения CW выводит наружу из резонатора, а большую часть направляет на второе вспомогательное зеркало 4, которое оптически связано с первым вспомогательным зеркалом 3. Зеркало 3 направляет луч CW через компенсатор дисперсии (призмы 7 и 8) на глухое плоское зеркало 6. Положение в пространстве падающего на зеркало 6 луча CW совпадает с положением в пространстве, описанным выше, отраженного от зеркала 6 луча CCW. Таким образом, падающий на зеркало 6 луч CW имеет направление, близкое к нормали, с небольшим наклоном снизу вверх, а отраженный зеркалом 6 луч CW направлен вверх под углом α к падающему лучу в той же вертикальной плоскости, в которой лежит падающий луч. Отраженный зеркалом 6 луч CW, пройдя расстояние L до зеркала 3 через компенсатор дисперсии (призмы 7 и 8), смещается вверх в вертикальной плоскости (плоскости падающего и отраженного луча) на величину L tgα . В результате этого указанный луч проходит над зеркалом 3 и оптически связанными оказываются призма 7 компенсатора дисперсии и вогнутое зеркало 2 (левое плечо фокусирующей системы), то есть для луча CW, так же как и для луча CCW, резонатор замыкается.

На фиг.2 представлена функция автокорреляции интенсивности выходных фемтосекундных импульсов, которая регистрировалась с помощью известной схемы автокоррелятора (см. Spielmami С., Xu L., Krausz F., Appl. Opt., 36, 2523, 1997), используемого для измерения длительности ультракоротких импульсов. Как видно по функции автокорреляции (см. фиг.2), длительность импульса по половине высоты составляет 10 фс.

Разработанный генератор фемтосекундных импульсов, так же как и генератор прототип, содержит компенсатор дисперсии в виде одной пары призм, что обеспечивает более простую настройку режима генерации фемтосекундных импульсов по сравнению с аналогами. Перемещением призм 7 и 8 в поперечном относительно луча направлении обеспечивается управление шириной и формой выходного спектра. Изменением настройки резонатора в данной схеме легко получить однонаправленный фемтосекундный режим генерации как для луча CW, так и для луча CCW. Этот фемтосекундный режим генерации является более устойчивым, чем в генераторе прототипе из-за отсутствия паразитных сигналов и из-за большей устойчивости генерации в данной конструкции к переотражениям излучения назад в резонатор. Кроме того, в данной конструкции за полный обход излучения по резонатору луч дважды проходит через компенсатор дисперсии и, в отличие от генератора прототипа, только один раз через активную среду, которая вносит нежелательную положительную дисперсию групповой скорости. Вследствие этого компенсация положительной дисперсии в разработанной конструкции осуществляется более эффективно, чем в прототипе, что позволяет получать в разработанном генераторе фемтосекундные импульсы длительностью 10 фс и менее, т.е. позволяет решить поставленную задачу.

Изобретение относится к устройствам для генерирования ультракоротких (10^-13 ÷^{10-15) световых импульсов и может быть использовано в спектроскопии сверхвысокого разрешения, устройствах для лазерного ускорения заряженных частиц, микроэлектронике, прецизионной обработке материалов и устройствах оптической памяти. В резонатор с активной средой, содержащий глухое плоское зеркало, полупрозрачное плоское зеркало, фокусирующую систему из вогнутых зеркал и компенсатор дисперсии из двух призм, установленных на расстоянии d друг от друга, введены первое и второе вспомогательные глухие зеркала, оптически связанные друг с другом. Первое вспомогательное зеркало расположено на расстоянии L>d от глухого плоского зеркала, второе вспомогательное зеркало оптически связано с полупрозрачным плоским зеркалом. Глухое плоское зеркало наклонено на малый угол α , выбираемый из интервала 1'<α <60', относительно вертикальной плоскости, которая перпендикулярна плоскости падения луча, первое вспомогательное зеркало установлено со смещением в вертикальной плоскости, например, вниз относительно уровня других зеркал на величину L.tgα . Изобретение позволяет создать относительно недорогой, легко настраиваемый, устойчиво работающий и перестраиваемый генератор фемтосекундных импульсов. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.}

1. Генератор фемтосекундных импульсов, содержащий резонатор с активной средой и лазер накачки, при этом резонатор включает в себя глухое плоское зеркало, полупрозрачное плоское зеркало, фокусирующую систему из первого и второго вогнутых зеркал, в которой установлена упомянутая активная среда, оптически связанная с лазером накачки, резонатор снабжен также компенсатором дисперсии в виде оптически связанной последовательности двух призм, установленных на расстоянии d друг от друга, которые размещены между упомянутыми вторым вогнутым зеркалом и глухим плоским зеркалом, а первое вогнутое зеркало оптически связано с полупрозрачным плоским зеркалом, отличающийся тем, что в резонатор дополнительно введены первое и второе вспомогательные зеркала, оптически связанные друг с другом и посредством второго вспомогательного зеркала с упомянутым полупрозрачным плоским зеркалом, а упомянутое глухое плоское зеркало наклонено на малый угол α, выбираемый из интервала 1'<α<60' относительно вертикальной плоскости, перпендикулярной плоскости падения луча, при этом первое вспомогательное зеркало расположено на расстоянии L>d от глухого плоского зеркала и установлено со смещением в вертикальной плоскости относительно уровня других зеркал на величину L·tgα.2. Генератор по п. 1, отличающийся тем, что упомянутое глухое плоское зеркало наклонено на малый угол α , выбираемый из интервала 1'<α<60', против часовой стрелки относительно вертикальной плоскости, перпендикулярной плоскости падения луча, при этом первое вспомогательное зеркало, расположенное на расстоянии L>d от глухого плоского зеркала, установлено со смещением вниз на величину L·tgα в вертикальной плоскости относительно уровня других зеркал.3. Генератор по п.1, отличающийся тем, что обе призмы компенсатора дисперсии выполнены из материала LiF (фторид лития), а в качестве активной среды использован кристалл Ti:Sa.4. Генератор по п.1, или 2, или 3, отличающийся тем, что призмы компенсатора дисперсии установлены на расстоянии d =131,5 см, а глухое плоское зеркало установлено с наклоном относительно упомянутой вертикальной плоскости на угол α=12^', при этом первое вспомогательное зеркало расположено на расстоянии L=150 см от глухого плоского зеркала и смещено вниз в вертикальной плоскости на величину 5 мм.