СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ДИСПЕРСИИ ВНУТРИРЕЗОНАТОРНЫХ ОПТИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ В СПЕКТРАЛЬНОЙ ОБЛАСТИ ГЕНЕРАЦИИ ФЕМТОСЕКУНДНОГО ЛАЗЕРА Российский патент 2013 года по МПК G01M11/02 G01J1/00 

Изобретение относится к разделу «Оптика» и может быть использовано для контроля дисперсии внутрирезонаторных оптических элементов в спектральной области генерации фемтосекундного лазера.

Известен способ измерения дисперсии внутрирезонаторных оптических элементов в спектральной области генерации фемтосекундного лазера (ФСЛ) [М.J.Thorpe, R.J.Jones, К.D.Moll, J.Ye, and R.Lalezari, "Precise measurements of optical cavity dispersion and mirror coating properties via femtosecond combs," Opt. Express 13, 882-888 (2005)]. Излучение ФСЛ пропускают через интерферометр Фабри-Перо (ИФП), внутри которого находятся исследуемые оптические элементы. По выходному излучению ФСЛ из интерферометра Фабри-Перо анализируют относительное расположение гребенки частот, соответствующих максимумам полос пропускания ИФП, и эквидистантной гребенки частот ФСЛ. Для пустого и вакуумированного ИФП, когда его зеркала идеальные (отсутствует дисперсия на зеркалах), генерируемые частоты ФСЛ совпадают с продольными модами ИФП при условии, что его база согласована с частотой повторения w_r импульсов ФСЛ. При наличии оптических элементов и дисперсии покрытий зеркал интерферометра нарушается эквидистантность частотного расположения его продольных мод, что делает невозможным абсолютной совпадение эквидистантной гребенки частот ФСЛ с гребенкой частот, соответствующих максимумам полос пропускания ИФП. Изменения межмодовой частоты w_r ФСЛ позволяют осуществить настройку отдельных частот фс-гребенки (фемтосекундная гребенка) последовательно на все продольные моды интерферометра. Результирующий набор данных отображает резонансные частоты ν_t для всех продольных мод ИФП, каждая из которых соответствует определенному значению w_r, и при сопоставлении их с известными значениями эквидистантных генерируемых частот фс-гребенки позволяет определить величину дисперсии оптических элементов, находящихся внутри интерферометра, включая покрытие зеркал, в спектральной области генерации фемтосекундного лазера.

Таким образом, степень нарушения эквидистантности частотного расположения продольных мод интерферометра характеризует величину дисперсии внутрирезонаторных оптических элементов и покрытий зеркал в спектральной области генерации фемтосекундного лазера.

Для нахождения значений частот ν_t, соответствующих максимумам полос пропускания интерферометра Фабри-Перо, возникает необходимость за время проведения измерений перестраивать множество раз межмодовую частоту w_r фемтосекундного лазера, при этом должна быть обеспечена необходимая стабильность параметров лазера и интерферометра. Длительное время измерения дисперсии оптических элементов и необходимость множество раз перестраивать параметры ФСЛ является недостатком обсуждаемого способа.

Известен также способ измерения дисперсии внутрирезонаторных оптических элементов в спектральной области генерации фемтосекундного лазера (ФСЛ) [Albert Schliesser, Christoph Gohle, Thomas Udem and Theodor W.Hänsch, «Complete characterization of abroadband high-finesse cavity using anoptical frequency comb». Opt. Express, vol.14, №13, 5975-5983, (2006)], являющийся прототипом предлагаемого изобретения. Способ заключается в измерении спектрально-разрешенной дисперсии на примере покрытий зеркал в интерферометре Фабри-Перо (ИФП) во всей области генерации ФСЛ. Для этого записывают и анализируют относительное расположение эквидистантной гребенки частот фемтосекундного лазера и гребенки частот, соответствующих всем максимумам полос пропускания продольных мод ИФП в зависимости от сдвига фазы φ_CE огибающей относительно гребенки частот ФСЛ. Для пустого и вакуумированного ИФП с длиной базы l₀, когда его зеркала идеальные (отсутствует дисперсия на зеркалах), генерируемые частоты ФСЛ совпадают с продольными модами интерферометра при условии, что его база согласована с частотой повторения w_r импульсов фемтосекундного лазера. При наличии оптических элементов и дисперсии покрытий зеркал ИФП нарушается частотная эвидистантность расположения продольных мод интерферометра, делая лишь частичное совпадение их с гребенкой частот ФСЛ во всей полосе генерации. Изменяя параметры излучения фемтосекундного лазера (значение генерируемых частот и сдвига фазы φ_CE огибающей относительно гребенки частот ФСЛ), можно настроить частоты фс-гребенки (фемтосекундной гребенки) последовательно на все продольные моды интерферометра, находящиеся в полосе генерации фемтосекундного лазера. При этом по каждой резонансной частоте (для каждого значения φ_CE) необходимо по узкому спектральному диапазону осуществлять синхронизацию частотной гребенки ФСЛ. Резонансный частотный спектр ν_t интерферометра, поступающий от оптического спектрометра, и параметры излучения фс-гребенки одновременно записываются на компьютере, в котором из анализа эквидистантной фс-гребенки частот и гребенки с известными значениями частот продольных мод ИФП, снятых в зависимости от величины сдвига фазы φ_CE огибающей относительно гребенки частот ФСЛ, определяют величину дисперсии оптических элементов и покрытий зеркал интерферометра в спектральной области генерации фемтосекундного лазера.

Величину дисперсии определяют по взаимному расположению эквидистантых частот фс-гребенки и гребенки резонансных частот, соответствующих максимумам полос пропускания интерферометра Фабри-Перо в полосе генерации фемтосекундного лазера. Получение этого резонансного частотного спектра ν_t интерферометра связано с необходимостью многократной перестройки параметров излучения фемтосекундного лазера, обеспечивая при этом высокую стабильность параметров лазера и интерферометра. Таким образом, длительное время проведения измерения дисперсии внутрирезонаторных оптических элементов и необходимость для этих целей перестройки измерительной системы множество раз является недостатком обсуждаемого прототипа.

Задачей предлагаемого изобретения является создание способа для быстрого измерения дисперсии внутрирезонаторных оптических элементов одновременно во всей спектральной области генерации фемтосекундного лазера.

Поставленная задача достигается тем, что измерение дисперсии внутрирезонаторных оптических элементов в спектральной области генерации ФСЛ осуществляется, когда излучение лазера пропускают через интерферометр Фабри-Перо с исследуемыми оптическими элементами с длиной базы, согласованной с оптической длиной резонатора лазера. При этом расстояние между зеркалами интерферометра Фабри-Перо сканируют на несколько длин полуволн. Измеряемую дисперсию внутрирезонаторных оптических элементов определяют одновременно по всей области генерации стабилизированного по частоте фемтосекундного лазера после частотного разложения излучения лазера на диспергирующем элементе. Из анализа записанных интерференционных картин, снятых в узких спектральных диапазонах фотоэлементами линейной фотоматрицы, получают значение дисперсии внутрирезонаторных оптических элементов в спектральной области генерации фемтосекундного лазера.

На чертеже приведена структурная схема, реализующая предлагаемый способ измерения дисперсии внутрирезонаторных оптических элементов на примере покрытия зеркал в спектральной области генерации фемтосекундного лазера.

Схема содержит: стабилизированный по частоте фемтосекундный лазер 1 с самосинхронизацией мод с известным значением его частотного сдвига гребенки частот; сканируемый по длине интерферометр Фабри-Перо 2 с микровинтом и пьезокерамическим элементом; диспергирующий элемент 3 (дифракционная решетка либо призма); линейную фотоматрицу 4; электронный блок обработки сигналов со специальным программным обеспечением 5.

Интерферометр Фабри-Перо 2 по оптическим каналам связан с фемтосекундным лазером 1 и диспергирующим элементом 3, линейная фотоматрица 4 оптически связана с диспергирующим элементом 3, а также обладает кабельной связью с электронным блоком обработки электрических сигналов 5.

Способ измерения дисперсии покрытия зеркал интерферометра с использованием излучения стабилизированного фемтосекундного лазера 1 с самосинхронизацией мод с известным значением его частотного сдвига гребенки частот осуществляется следующим образом. Предварительно оптическая длина l₀ интерферометра Фабри-Перо 2 согласуется с частотой повторения w_r импульсов ФСЛ 1 с точностью до половины длины волны его генерации, т.е.

$$l_0=\frac{p\cdot c}{2\cdot w_r},\left(\text{1}\right)$$

где р - целое число;

с - скорость света.

Излучение ФСЛ 1 пропускается через интерферометр Фабри-Перо 2 и при сканировании его базы на несколько длин полуволн излучение ФСЛ 1 на выходе интерферометра имеет вид гребенки полос пропускания ИФП 2. С выхода ИФП 2 излучение поступает на оптический спектрометр, состоящий из диспергирующего элемента 3 (это может быть дифракционная решетка либо призма) линейной фотоматрицы 4, позволяющий проводить запись и обработку на электронном блоке 5 интерференционных картин, получаемых раздельно от каждого фотоэлемента в узких спектральных диапазонах. По этим интерференционным картинам, выделяемым каждым фотоэлементом линейной фотоматрицы 4 и обработанным электронным блоком 5, определяют смещения максимумов интерференционных полос пропускания интерферометра Фабри-Перо 2 в узких спектральных диапазонах относительно максимума огибающей полос пропускания ИФП 2. Эти смещения вызваны суммарным действием наличия сдвига гребенки частот ∆ ФСЛ 1 и дисперсии γ_k покрытия зеркал ИФП 2 и определяются по формуле:

$$\left({\delta }_k+{\mu }_k\right)=\frac{\left(\Delta +{\gamma }_k\right)\cdot {\lambda }_k/2}{w_r},\left(\text{2}\right)$$

где δ_k, µ_k - величины смещения максимумов интерференционных полос ИФП 2 относительно максимума огибающей его полос пропускания, выделяемые k-м фотоэлементом линейной фотоматрицы 4, вызванные соответственно сдвигом ∆ гребенки частот ФСЛ 1 и дисперсией γ_k покрытия зеркал ИФП 2.

Предварительно по известным значениям параметров излучения фемтосекундного лазера 1 (величины сдвига ∆ гребенки частот, частоты повторения w_r импульсов ФСЛ 1) для идеального интерферометра Фабри-Перо 2 (отсутствие дисперсии γ_k на зеркалах) вычисляют расчетное значение смещения отдельно для всех интерференционных полос ИФП 2, выделяемых каждым фотоэлементом линейной фотоматрицы 4 по формуле

$${\delta }_k=\frac{\Delta \cdot {\lambda }_k/2}{w_r},\left(\text{3}\right)$$

где δ_k - величина смещения интерференционной полосы ИФП 2, выделяемой k-м фотоэлементом линейной фотоматрицей 4, относительно максимума огибающей полос пропускания ИФП 2;

∆ - сдвиг гребенки частот ФСЛ 1;

λ_k - средняя длина волны, регистрируемая k-м фотоэлементом линейной фотоматрицы 4;

w_r - частота повторения импульсов ФСЛ 1.

Для наглядности формулу (3) можно представить в виде:

$${\delta }_k=\frac{\Delta \cdot c}{2{\nu }_k\cdot w_r},\left(\text{4}\right)$$

где c - скорость света;

ν_k - среднее значение частоты ФСЛ, соответствующее средней длине волны λ_k, выделяемой k-ым фотоэлементом линейной фотоматрицы 4.

Зная значение смещения интерференционных полос пропускания δ_k ИФП 2, вызванных наличием сдвига гребенки частот ∆ ФСЛ 1, по формуле (2) легко определяется значение дисперсии γ_k зеркал ИФП 2 в узких спектральных диапазонах, полученных со всех фотоэлементов линейной фотоматрицы 4 в отдельности.

По смещению полученных в узких спектральных диапазонах интерференционных максимумов полос пропускания интерферометра относительно огибающей его полосы пропускания определяют дисперсию внутрирезонаторных оптических элементов, например, покрытие зеркал одновременно по всей области генерации фемтосекундного лазера при известном значении сдвига гребенки частот ФСЛ.

Таким образом, сканирование длины базы ИФП позволяет осуществлять одновременную настройку частот фс-гребенки на все продольные моды интерферометра в полосе генерации фемтосекундного лазера при постоянных значениях параметров лазерного излучения, что позволяет быстро измерять дисперсию внутрирезонаторных оптических элементов одновременно во всей спектральной области генерации фемтосекундного лазера.

Способ может быть использован для контроля дисперсии внутрирезонаторных оптических элементов в спектральной области генерации фемтосекундного лазера. Для измерения дисперсии внутрирезонаторных оптических элементов используют излучение фемтосекундного лазера, которое пропускают через интерферометр Фабри-Перо с исследуемыми оптическими элементами с длиной базы, согласованной с оптической длиной резонатора лазера. При этом расстояние между зеркалами интерферометра Фабри-Перо сканируют на несколько длин полуволн, а измеряемую дисперсию внутрирезонаторных оптических элементов определяют одновременно по всей области генерации стабилизированного по частоте фемтосекундного лазера при постоянных значениях его параметров излучения после частотного разложения излучения лазера на диспергирующем элементе. Из анализа записанных интерференционных картин, снятых в узких спектральных диапазонах фотоэлементами линейной фотоматрицы, получают значение дисперсии внутрирезонаторных оптических элементов в спектральной области генерации фемтосекундного лазера. Технический результат заключается в обеспечении возможности быстрого измерения дисперсии внутрирезонаторных оптических элементов одновременно во всей спектральной области генерации фемтосекундного лазера. 1 ил.

Способ измерения дисперсии внутрирезонаторных оптических элементов в спектральной области генерации фемтосекундного лазера, при котором излучение лазера пропускают через интерферометр Фабри-Перо с исследуемыми оптическими элементами с длиной базы, согласованной с оптической длиной резонатора лазера, отличающийся тем, что расстояние между зеркалами интерферометра Фабри-Перо сканируют на несколько длин полуволн, а измеряемую дисперсию внутрирезонаторных оптических элементов определяют одновременно по всей области генерации стабилизированного по частоте фемтосекундного лазера при постоянных значениях его параметров излучения после частотного разложения излучения лазера на диспергирующем элементе и из анализа записанных интерференционных картин, снятых в узких спектральных диапазонах фотоэлементами линейной фотоматрицы, получают значение дисперсии внутрирезонаторных оптических элементов в спектральной области генерации фемтосекундного лазера.