Способ получения последовательности идентичных фемтосекундных импульсов Российский патент 2019 года по МПК H01S3/10 G02F1/01 

Предлагаемое изобретение относится к области лазерной техники и может быть использовано для получения последовательности идентичных фемтосекундных импульсов с одинаковой разностью фаз между несущей и огибающей, что может быть использовано для повышения эффективности преобразования частоты в нелинейных оптических процессах, в частности, для получения аттосекундных импульсов.

Известен способ получения последовательности идентичных фемтосекундных импульсов (Holzwarth R., Udem Th., , Knight J.C., Wadsworth W.J., Russell P.St.J., Phys.Rev. Lett. 2000, 85, 2264), являющийся аналогом предлагаемого изобретения, при котором к низкочастотной моде фемтосекундного лазера привязывается частота лазера-гетеродина, вторая гармоника которого привязывается к высокочастотной моде фемтосекундного лазера.

Однако для реализации такой схемы необходимо, чтобы частота лазера-гетеродина лежала в низкочастотной области спектра излучения фемтосекундного лазера, а его вторая гармоника попадала в высокочастотную часть спектра.

Кроме того, известен способ получения последовательности идентичных фемтосекундных импульсов (David J. Jones, Scott A. Diddams, Jinendra K. Ranka, Andrew Stentz, Robert S. Windeler, John L. Hall, Steven T. Cundiff., Science, Vol. 288, pp. 635-639, 2000), являющийся прототипом предлагаемого изобретения и заключающийся в фазовой привязке к стандарту как частоты повторения импульсов ω, так и сдвига гребенки частот Δ, так что спектр излучения фемтосекундного лазера представляет набор частот:

где m - целые положительные числа.

Устройство, реализующее описанный в прототипе способ получения стабильной последовательности фемтосекундных импульсов, содержит фемтосекундный лазер, задающий синтезатор, микроструктурированное оптическое волокно, синтезатор опорной частоты повторения импульсов фемтосекундного лазера, фотодетектор, блок фазовой привязки частоты повторения импульсов фемтосекундного лазера, делительные зеркала, дихроичное зеркало, f-2f-интерферометр, акустооптический модулятор, блок фазовой привязки сдвига частотной гребенки излучения фемтосекундного лазера. Излучение фемтосекундного лазера делится зеркалом на две части. Одна часть поступает на фотодетектор, где выделяется сигнал с частотой повторения импульсов ω. Этот сигнал смешивается с сигналом синтезатора опорной частоты повторения импульсов фемтосекундного лазера, стабилизированного по задающему синтезатору, и поступает на блок фазовой привязки частоты повторения импульсов фемтосекундного лазера. Вторая часть излучения вводится в микроструктурированное волокно для того чтобы уширить спектр излучения до ширины более чем октава. Далее излучение с уширенным спектром поступает на f-2f-интерферометр, в коротковолновое плечо которого включен акустооптический модулятор, работающий на частоте ƒ_АОМ=7/8ω. Выходной сигнал f-2f-интерферометра с частотой, равной ±(Δ-ƒ_АОМ) поступает на управляемый генератор блок фазовой привязки сдвига частотной гребенки излучения фемтосекундного лазера. Сигнал ошибки, генерируемый управляемым генератором имеет частоту, равную (m/16)ω (m - целое число), позволяет менять фазу несущей относительно огибающей фемтосекундных импульсов с шагом π/8.

Однако, в указанном способе реализуется режим генерации последовательности идентичных импульсов с произвольным значением разности фаз между огибающей и несущей.

Задачей (техническим результатом) предлагаемого изобретения является получение последовательности идентичных импульсов с возможностью селекции заданной разности фаз между несущей и огибающей.

Поставленная задача достигается тем, что излучение фемтосекундного лазера делится зеркалом на две части, одна из которых поступает на фотодетектор, где выделяется сигнал с частотой повторения импульсов ω, который смешивается с сигналом синтезатора опорной частоты повторения импульсов фемтосекундного лазера, стабилизированного по задающему синтезатору, и поступает на блок фазовой привязки частоты повторения импульсов фемтосекундного лазера, а вторая часть излучения вводится в микроструктурированное волокно, далее излучение поступает на f-2f-интерферометр, откуда выделяемый сигнал на частоте сдвига гребенки фемтосекундного лазера подается на один из входов блока фазовой привязки частоты сдвига, отличающемся тем, что в схему включены синтезатор опорной частоты модулятора интенсивности, фазовращатель, управляемый генератор импульсов и модулятор интенсивности, так что сигнал с одного из выходов задающего синтезатора поступает на вход синтезатора опорной частоты модулятора интенсивности, выходной сигнал которого поступает через фазовращатель на управляемый генератор импульсов, формирующий управляющий сигнал модулятора интенсивности, на оптический вход которого подается излучение фемтосекундного лазера, при этом частоты синтезаторов частоты повторения импульсов фемтосекундного лазера со, опорной частоты сдвига гребенки Δ и опорной частоты модулятора интенсивности F₀ синхронизованы между собой, а сдвиг гребенки частот Δ и частота повторения импульсов фемтосекундного лазера ω связаны соотношением:

где k и q целые числа, а излучение фемтосекундного лазера проходит через модулятор интенсивности, частота которого задается управляемым генератором импульсов на частоте

так, что через модулятор интенсивности проходит каждый k-ый импульс, у которых разность фаз между огибающей и несущей будет постоянной, а сдвиг вновь созданной гребенки с частотой повторения F=F₀ будет равен нулю, так что спектр излучения на выходе модулятора представляет набор частот

где р - целое положительное число, а из всех возможных последовательностей идентичных импульсов селектируются последовательности с дискретностью сдвига фазы несущей относительно огибающей, равной 2π/k.

На чертеже приведена функциональная схема устройства, реализующего предлагаемый способ.

Устройство содержит: 1 - фемтосекундный лазер; 2 - задающий синтезатор; 3 - синтезатор опорной частоты повторения импульсов фемтосекундного лазера ω₀; 4 - синтезатор опорной частоты сдвига гребенки Δ₀; 5 - синтезатор опорной частоты модулятора интенсивности F₀; 6, 7 - делительные зеркала; 8 - ƒ-2ƒ-интерферометр; 9 - блок фазовой привязки сдвига частотной гребенки излучения фемтосекундного лазера; 10 - фотодетектор; 11 - блок фазовой привязки частоты повторения импульсов фемтосекундного лазера; 12 - фазовращатель; 13 - управляемый генератор импульсов, 14 - модулятор интенсивности и 15 - микроструктурированное волокно.

Фемтосекундный лазер 1 по оптическому каналу связан с делительным зеркалом 6, а кабельной связью - с блоком фазовой привязки сдвига частотной гребенки излучения фемтосекундного лазера 9 и блоком фазовой привязки частоты повторения импульсов фемтосекундного лазера 11; задающий синтезатор 2 имеет кабельную связь с синтезатором опорной частоты повторения импульсов фемтосекундного лазера 3, с синтезатором опорной частоты сдвига гребенки 4 и с синтезатором опорной частоты модулятора интенсивности 5; синтезатор опорной частоты повторения импульсов фемтосекундного лазера 3 имеет кабельную связь с задающим синтезатором 2 и блоком фазовой привязки частоты повторения импульсов фемтосекундного лазера 11 синтезатор опорной частоты сдвига гребенки 4 имеет кабельную связь с задающим синтезатором 2 и блоком фазовой привязки сдвига частотной гребенки излучения фемтосекундного лазера 9; синтезатор опорной частоты модулятора интенсивности 5 имеет кабельную связь с задающим синтезатором 2 и фазовращателем 12; делительное зеркало 6 по оптическому каналу связано с фемтосекундным лазером 1, с делительным зеркалом 7 и фотоприемником 10; делительное зеркало 7 по оптическому каналу связано с делительным зеркалом 6, с микроструктурированным волокном 15 и с модулятором интенсивности 14, микроструктурированное волокно по оптическому каналу связано с ƒ-2ƒ интерферометром, связанным кабельной связью с блоком фазовой привязки сдвига частотной гребенки излучения фемтосекундного лазера 9, который также имеет кабельную связь с фемтосекундным лазером 1 и с синтезатором опорной частоты сдвига гребенки 4; фотоприемник 10 по оптическому каналу связан с делительным зеркалом 6, а кабельной связью - с фемтосекундным лазером 1; блок фазовой привязки частоты повторения импульсов фемтосекундного лазера 11 имеет кабельную связь с фемтосекундным лазером 1, а также с синтезатором опорной частоты повторения импульсов фемтосекундного лазера 3 и с фотоприемником 10; фазовращатель 12 имеет кабельную связь с синтезатором опорной частоты модулятора интенсивности 5 и с управляемым генератором импульсов 13, который имеет кабельную связь с модулятором интенсивности 14, связанным по оптическому каналу с делительным зеркалом 7.

Способ осуществляется следующим образом. Излучение фемтосекундного лазера 1 поступает от делительного зеркала 6 на фотодетектор 10, где выделяется сигнал на частоте повторения импульсов со, который далее подается на блок фазовой привязки частоты 11, куда поступает также сигнал на частоте со₀ от синтезатора 3, для которого в качестве опорной используется частота с задающего синтезатора 2. Блок фазовой привязки частоты 11 стабилизирует частоту повторения импульсов, так что ω=ω₀. Излучение фемтосекундного лазера, прошедшее через делительное зеркало 6, падает на делительное зеркало 7, отражаясь от которого поступает на ƒ-2ƒ интерферометр 8, откуда выделяемый сигнал на частоте сдвига гребенки фемтосекундного лазера Δ подается на один из входов блока фазовой привязки частоты 9, а на другой вход поступает сигнал на частоте Δ₀ от синтезатора частоты 4, опорный сигнал для которого поступает от задающего синтезатора 2. Таким образом, осуществляется фазовая привязка частотного сдвига Δ к частоте Δ₀, так что Δ=Δ₀.

Синтезатор 5 с опорной частотой, задаваемой с задающим синтезатором 2, вырабатывает сигнал на частоте F₀, который удовлетворяет условиям, представленным в выражениях (1) и (2). Этот сигнал через фазовращатель 12 подается на управляемый генератор импульсов 13 и далее на модулятор интенсивности 14, излучение фемтосекундного лазера на который поступает через делительное зеркало 7. Фазовращатель 12 устанавливает сдвиг фазы несущей относительно огибающей, так что из всех возможных последовательностей идентичных импульсов можно селектировать различные последовательности с дискретностью сдвига фазы несущей относительно огибающей, равной 2π/k.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является получение последовательности идентичных импульсов с возможностью селекции заданной разности фаз между несущей и огибающей.

Изобретение относится к области лазерной техники и касается способа получения последовательности идентичных фемтосекундных импульсов. Способ включает в себя разделение излучения лазера на две части, одна из которых поступает на фотодетектор, где выделяется сигнал с частотой повторения импульсов, который смешивается с сигналом синтезатора опорной частоты повторения импульсов и поступает на блок фазовой привязки частоты повторения импульсов лазера. Вторая часть излучения поступает на f-2f-интерферометр, откуда сигнал на частоте сдвига гребенки подается на вход блока фазовой привязки частоты сдвига. Сигнал с выхода задающего синтезатора поступает на вход синтезатора опорной частоты модулятора интенсивности, выходной сигнал которого поступает через фазовращатель на управляемый генератор импульсов, формирующий управляющий сигнал модулятора интенсивности, на оптический вход которого подается излучение лазера. При этом модулятор интенсивности проходит каждый k-й импульс, у которых разность фаз между огибающей и несущей будет постоянной. Технический результат заключается в получении последовательности идентичных импульсов с возможностью селекции заданной разности фаз между несущей и огибающей. 1 ил.

Способ получения последовательности идентичных фемтосекундных импульсов, заключающийся в том, что излучение фемтосекундного лазера делится зеркалом на две части, одна из которых поступает на фотодетектор, где выделяется сигнал с частотой повторения импульсов ω, который смешивается с сигналом синтезатора опорной частоты повторения импульсов фемтосекундного лазера, стабилизированного по задающему синтезатору, и поступает на блок фазовой привязки частоты повторения импульсов фемтосекундного лазера, а вторая часть излучения вводится в микроструктурированное волокно, далее излучение поступает на f-2f-интерферометр, откуда выделяемый сигнал на частоте сдвига гребенки фемтосекундного лазера подается на один из входов блока фазовой привязки частоты сдвига, отличающийся тем, что в схему включены синтезатор опорной частоты модулятора интенсивности, фазовращатель, управляемый генератор импульсов и модулятор интенсивности, так что сигнал с одного из выходов задающего синтезатора поступает на вход синтезатора опорной частоты модулятора интенсивности, выходной сигнал которого поступает через фазовращатель на управляемый генератор импульсов, формирующий управляющий сигнал модулятора интенсивности, на оптический вход которого подается излучение фемтосекундного лазера, при этом частоты синтезаторов частоты повторения импульсов фемтосекундного лазера ω, опорной частоты сдвига гребенки Δ и опорной частоты модулятора интенсивности F₀ синхронизованы между собой, а сдвиг гребенки частот Δ и частота повторения импульсов фемтосекундного лазера ω связаны соотношением:

ω/Δ=k/q,

где k и q - целые числа, а излучение фемтосекундного лазера проходит через модулятор интенсивности, частота которого задается управляемым генератором импульсов на частоте

F₀=ω/k

так, что через модулятор интенсивности проходит каждый k-й импульс, у которых разность фаз между огибающей и несущей будет постоянной, а сдвиг вновь созданной гребенки с частотой повторения F=F₀ будет равен нулю, так что спектр излучения на выходе модулятора представляет набор частот

ν_p=pF₀,

где р - целое положительное число, а из всех возможных последовательностей идентичных импульсов селектируются последовательности с дискретностью сдвига фазы несущей относительно огибающей, равной 2π/k.