Способ получения последовательности идентичных фемтосекундных импульсов для излучения с произвольной шириной спектра Российский патент 2021 года по МПК 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 (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 аналогом предлагаемого изобретения и заключающийся в том, что последовательность идентичных фемтосекундных импульсов получают с помощью акустооптического модулятора, включенного в коротковолновое плечо ƒ-2ƒ-интерферометра. Устройство, реализующее описанный в аналоге 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_AOM=7/8ω. Выходной сигнал f-2f-интерферометра с частотой, равной ±(Δ-ƒ_AOM) поступает на управляемый генератор блока 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, что не позволяет добиться совпадения их максимумов, при котором эффективность преобразования частоты в нелинейных процессах будет максимальной.

Кроме того, известен способ получения последовательности идентичных фемтосекундных импульсов (Бакланов Е.В., Головин Н.Н., Дмитриев А.К, Дмитриева Н.И., «Способ получения последовательности идентичных фемтосекундных импульсов», патент на изобретение №2701209, опубл. 25.09.19, Бюллетень №27), являющийся прототипом предлагаемого изобретения и заключающийся в том, что последовательность идентичных фемтосекундных импульсов выделяют с помощью эектрооптического модулятора, управляемого формирователем импульсов, а сдвиг фазы несущей относительно огибающей устанавливают с помощью фазовращателя.

Устройство, реализующее описанный в прототипе способ содержит: фемтосекундный лазер; задающий синтезатор; синтезатор опорной частоты повторения импульсов фемтосекундного лазера ω₀; синтезатор опорной частоты сдвига гребенки Δ₀; синтезатор опорной частоты модулятора интенсивности F₀; делительные зеркала; f-2f интерферометр; блок фазовой привязки сдвига частотной гребенки излучения фемтосекундного лазера; фотодетектор; блок фазовой привязки частоты повторения импульсов фемтосекундного лазера; фазовращатель; управляемый формирователь импульсов, модулятор интенсивности и микроструктурированное волокно. Излучение фемтосекундного лазера отраженное от первого делительного зеркала подают на фотодетектор, где выделяется сигнал на частоте повторения импульсов ω, который далее подают на блок фазовой привязки частоты, куда также поступает сигнал на частоте ω₀ от синтезатора опорной частоты повторения импульсов фемтосекундного лазера, для которого в качестве опорной используют частоту с задающего синтезатора. Блок фазовой привязки частоты стабилизирует частоту повторения импульсов, так что ω=ω₀. Излучение фемтосекундного лазера, прошедшее через первое делительное зеркало, падает на второе делительное зеркало, отражаясь от которого поступает на микроструктурированное оптическое волокно, где происходит уширение его спектра до октавы или более. Затем излучение с уширенным спектром подают на ƒ-2ƒ-интерферометр, откуда выделяемый сигнал на частоте сдвига гребенки фемтосекундного лазера Δ подается на один из входов блока фазовой привязки частоты, а на другой вход подают сигнал на частоте Δ₀ от синтезатора опорной частоты сдвига гребенки, опорный сигнал для которого поступает от задающего синтезатора. Таким образом, осуществляют фазовую привязку частотного сдвига Δ к частоте Δ₀, так что Δ=Δ₀. Синтезатор опорной частоты модулятора интенсивности, синхронизованный с задающим синтезатором, вырабатывает сигнал на частоте F₀, который удовлетворяет условиям ω₀/Δ₀=k/q и F₀=ω₀/k. Этот сигнал через фазовращатель подают на упраляемый формирователь импульсов и далее на модулятор интенсивности, излучение фемтосекундного лазера на который поступает через второе делительное зеркало. С помощью фазовращателя устанавливают 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.

Однако указанный способ получения последовательности идентичных фемтосекундных импульсов реализуется только для излучения с шириной спектра не менее октавы, что ограничивает его применимость для более широкого круга фемтосекундных лазеров.

Задачей (техническим результатом) предлагаемого изобретения является получение последовательности идентичных импульсов с возможностью селекции заданной разности фаз между несущей и огибающей для фемтосекундного лазерного излучения с произвольной шириной спектра, что делает его применимым для более широкого класса фемтосекундных лазеров.

Поставленная задача достигается тем, что излучение фемтосекундного лазера делят зеркалом на две части, одна из которых поступает на фотодетектор, где выделяют сигнал с частотой повторения импульсов ω, который смешивают с сигналом синтезатора опорной частоты повторения импульсов фемтосекундного лазера, стабилизированного по задающему синтезатору, и подают на блок фазовой привязки частоты повторения импульсов фемтосекундного лазера, который стабилизирует частоту повторения импульсов, так что ω=ω₀. Прошедшее через первое зеркало излучение делят вторым зеркалом на две части, одну из которых подают на оптический вход модулятора интенсивности, управляемого формирователем импульсов, задающим сигналом для которого служит поступающий через фазовращатель сигнал синтезатора опорной частоты модулятора интенсивности, синхронизованный с задающим синтезатором. При этом сдвиг гребенки частот Δ и частота повторения импульсов фемтосекундного лазера ω связаны соотношением:

где k и q - целые числа.

Излучение фемтосекундного лазера проходит через модулятор интенсивности, частоту которого задают с помощью управляемого формирователя 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.

При этом из всех возможных последовательностей идентичных импульсов селектируются последовательности с дискретностью сдвига фазы несущей относительно огибающей, равной 2π/k. При этом в устройство, реализующее способ включены интерферометр Фабри-Перо, генератор пилообразного напряжения, полосовой оптический фильтр, фотодетектор и блок сбора и обработки информации, таким образом, что излучение, прошедшее через второе зеркало, пропускают через интерферометр Фабри-Перо, длину которого устанавливают равной длине резонатора фемтосекундного лазера. Для получения интерференционной картины длину интерферометра сканируют вблизи заданного значения на величину порядка длины волны с помощью генератора пилообразного напряжения, синхронизованного с задающим синтезатором. Излучение, прошедшее через интерферометр Фабри-Перо, пропускают через полосовой оптический фильтр, выделяющий заданную спектральную полосу, и подают на фотодетектор, сигнал с которого поступает на один из входов блока сбора и обработки данных, на второй вход которого подают сигнал с низковольтного выхода генератора пилообразного напряжения. Блок сбора и обработки данных обрабатывает интерференционную картину и формирует сигнал с частотой, равной сдвигу гребенки частот Δ, который определяется из следующего соотношения:

где q - сдвиг фемтосекундной гребенки частот относительно максимума частоты полосы пропускания интерферометра Фабри-Перо;

Ω - область свободной дисперсии интерферометра Фабри-Перо;

δ - сдвиг полос пропускания интерферометра Фабри-Перо вследствие его дисперсии, который определяется путем предварительной калибровки интерферометра.

С выхода блока сбора и обработки данных сигнал подают на один из входов блока фазовой привязки сдвига гребенки частот, на другой вход которого подают сигнал на частоте Δ₀ от синтезатора опорной частоты сдвига гребенки, опорный сигнал для которого поступает от задающего синтезатора. Таким образом, осуществляют фазовую привязку частотного сдвига Δ к частоте Δ₀, так что Δ=Δ₀. При этом частоты синтезаторов частоты повторения импульсов фемтосекундного лазера со, опорной частоты сдвига гребенки Δ и опорной частоты модулятора интенсивности F₀ синхронизованы между собой по фазе.

На чертеже приведена функциональная схема устройства, реализующего предлагаемый способ.

Устройство содержит: 1 - синтезатор опорной частоты модулятора интенсивности F₀; 2 - фазовращатель; 3 - управляемый формирователь импульсов; 4 - синтезатор опорной частоты повторения импульсов фемтосекундного лазера ω₀; 5 - блок фазовой привязки частоты повторения импульсов фемтосекундного лазера; 6 - фотодетектор для выделения частоты повторения импульсов фемтосекундного лазера ω₀, 7 - задающий синтезатор; 8 - фемтосекундный лазер; 9, 10 - делительные зеркала; 11 - модулятор интенсивности; 12 - синтезатор опорной частоты сдвига гребенки Δ₀; 13 - блок фазовой привязки сдвига частотной гребенки излучения фемтосекундного лазера, 14 - блок сбора и обработки информации; 15 - интерферометр Фабри-Перо; 16 - генератор пилообразного напряжения; и 17 - полосовой оптический фильтр; 18 - фотодетектор для выделения сдвига гребенки Δ.

Фемтосекундный лазер 8 по оптическому каналу связан с делительным зеркалом 9, а кабельной связью - с блоком фазовой привязки сдвига частотной гребенки излучения фемтосекундного лазера 13 и блоком фазовой привязки частоты повторения импульсов фемтосекундного лазера 5; задающий синтезатор 7 имеет кабельную связь с синтезатором опорной частоты модулятора интенсивности 1, с синтезатором опорной частоты повторения импульсов фемтосекундного лазера 4, с синтезатором опорной частоты сдвига гребенки 12 и с генератором пилообразного напряжения 16; синтезатор опорной частоты повторения импульсов фемтосекундного лазера 4 имеет кабельную связь с задающим синтезатором 7 и блоком фазовой привязки частоты повторения импульсов фемтосекундного лазера 5; синтезатор опорной частоты сдвига гребенки 12 имеет кабельную связь с задающим синтезатором 7 и блоком фазовой привязки сдвига частотной гребенки излучения фемтосекундного лазера 13; синтезатор опорной частоты модулятора интенсивности 1 имеет кабельную связь с задающим синтезатором 7 и фазовращателем 2; делительное зеркало 9 по оптическим каналам связано с фемтосекундным лазером 8, с делительным зеркалом 10 и фотоприемником 6; делительное зеркало 10 по оптическим каналам связано с делительным зеркалом 9, с интерферометром Фабри-Перо 15 и с модулятором интенсивности 11, интерферометр Фабри-Перо 15 по оптическому каналу связан полосовым оптическим фильтром 17, а по кабельному каналу - с генератором пилообразного напряжения 16, имеющим кабельную связь с задающим синтезатором 7; полосовой оптический фильтр 17 по оптическому каналу связан с фотодетектором 18; фотодетектор 18 также имеет кабельную связь с блоком сбора и обработки информации 14, имеющем кабельную связь с блоком фазовой привязки сдвига частотной гребенки излучения фемтосекундного лазера 13, который также имеет кабельные связи с фемтосекундным лазером 8 и синтезатором опорной частоты сдвига гребенки 12; фотоприемник 6 по оптическому каналу связан с делительным зеркалом 9, а кабельной связью - с блоком фазовой привязки частоты повторения импульсов фемтосекундного лазера 5, также имеющим кабельную связь с фемтосекундным лазером 8 и с синтезатором опорной частоты повторения импульсов фемтосекундного лазера 4; фазовращатель 2 имеет кабельную связь с синтезатором опорной частоты модулятора интенсивности 1 и с управляемым формирователем импульсов 3, который имеет кабельную связь с модулятором интенсивности 11, связанным по оптическому каналу с делительным зеркалом 10.

Способ осуществляется следующим образом. Излучение фемтосекундного лазера 8 поступает от делительного зеркала 9 на фотодетектор 6, где выделяется сигнал на частоте повторения импульсов ω, который далее подается на блок фазовой привязки частоты повторения импульсов 5, куда поступает также сигнал на частоте ω₀ от синтезатора 4, для которого в качестве опорной используется частота с задающего синтезатора 7. Блок фазовой привязки частоты 5 стабилизирует частоту повторения импульсов, так что ω=ω₀.

Излучение фемтосекундного лазера, прошедшее через делительное зеркало 9, падает на делительное зеркало 10, отражаясь от которого проходит через интерферометр Фабри-Перо 15 и полосовой оптический фильтр 17, выделяющий заданную спектральную полосу, и поступает на фотодетектор 18, сигнал с которого поступает на один из входов блока сбора и обработки данных 14, на второй вход которого поступает сигнал с низковольтного выхода генератора пилообразного напряжения 16. Блок сбора и обработки данных 14 обрабатывает интерференционную картину и, согласно выражению (3), формирует на выходе сигнал с частотой, равной сдвигу гребенки частот Δ, который подается на один из входов блока фазовой привязки частоты 13, на другой вход которого поступает сигнал на частоте Δ₀ от синтезатора частоты сдвига гребенки 12, опорный сигнал для которого поступает от задающего синтезатора 7. Таким образом, осуществляется фазовая привязка частотного сдвига Δ к частоте Δ₀, так что Δ=Δ₀. При этом указанная схема выделения частотного сдвига Δ не требует ширины спектра излучения равной октаве или более.

Синтезатор опорной частоты модулятора интенсивности 1 с опорной частотой, задаваемой задающим синтезатором 7, вырабатывает сигнал на частоте F₀, который удовлетворяет условиям, представленным в выражениях (1) и (2). Этот сигнал через фазовращатель 2 подается на управляемый формирователь импульсов 3 и далее на модулятор интенсивности 11, излучение фемтосекундного лазера на который поступает через делительное зеркало 10. Фазовращатель 2 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 для фемтосекундного излучения с произвольной шириной спектра.

Изобретение относится к области лазерной техники и касается способа получения последовательности идентичных фемтосекундных импульсов для излучения с произвольной шириной спектра. Способ заключается в том, что излучение лазера делят зеркалом на две части, выделяют сигнал с частотой повторения импульсов, который смешивают с сигналом синтезатора опорной частоты повторения импульсов и подают на блок фазовой привязки. Прошедшее через первое зеркало излучение делят на две части. Первую часть излучения подают на вход модулятора интенсивности, а вторую пропускают через интерферометр Фабри-Перо, длину которого сканируют на величину порядка длины волны. Прошедшее через интерферометр излучение подают на фотодетектор, сигнал с которого поступает на вход блока сбора и обработки данных, сигнал с выхода которого с частотой, равной сдвигу гребенки частот Δ, подают на блок фазовой привязки сдвига гребенки частот, на другой вход которого подают сигнал на частоте Δ₀ от синтезатора опорной частоты сдвига гребенки, осуществляя таким образом фазовую привязку частотного сдвига Δ к частоте Δ_0. Технический результат заключается в обеспечении возможности получения последовательности идентичных импульсов с возможностью селекции заданной разности фаз между несущей и огибающей для излучения с произвольной шириной спектра. 1 ил.

Способ получения последовательности идентичных фемтосекундных импульсов для излучения с произвольной шириной спектра, заключающийся в том, что излучение фемтосекундного лазера делят зеркалом на две части, одна из которых поступает на фотодетектор, где выделяют сигнал с частотой повторения импульсов ω, который смешивают с сигналом синтезатора опорной частоты повторения импульсов фемтосекундного лазера, стабилизированного по задающему синтезатору, и подают на блок фазовой привязки частоты повторения импульсов фемтосекундного лазера, который стабилизирует частоту повторения импульсов, так что ω=ω₀; прошедшее через первое зеркало излучение делят вторым зеркалом на две части, одну из которых подают на оптический вход модулятора интенсивности, управляемого формирователем импульсов, задающим сигналом для которого служит поступающий через фазовращатель сигнал синтезатора опорной частоты модулятора интенсивности, синхронизованный с задающим синтезатором, при этом 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, частоту которого задают с помощью управляемого формирователя импульсов на частоте

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

где р - целое положительное число,

а из всех возможных последовательностей идентичных импульсов селектируются последовательности с дискретностью сдвига фазы несущей относительно огибающей, равной 2π/k, отличающийся тем, что в устройство, реализующее способ, включены интерферометр Фабри-Перо, генератор пилообразного напряжения, полосовой оптический фильтр, фотодетектор и блок сбора и обработки информации, таким образом, что излучение, прошедшее через второе зеркало, пропускают через интерферометр Фабри-Перо, длину которого устанавливают равной длине резонатора фемтосекундного лазера, для получения интерференционной картины длину интерферометра сканируют вблизи заданного значения на величину порядка длины волны с помощью генератора пилообразного напряжения, синхронизованного с задающим синтезатором; излучение, прошедшее через интерферометр Фабри-Перо, пропускают через полосовой оптический фильтр, выделяющий заданную спектральную полосу, и подают на фотодетектор, сигнал с которого поступает на один из входов блока сбора и обработки данных, на второй вход которого подают сигнал с низковольтного выхода генератора пилообразного напряжения, блок сбора и обработки данных обрабатывает интерференционную картину и формирует сигнал с частотой, равной сдвигу гребенки частот Δ, который определяется из следующего соотношения:

где q - сдвиг фемтосекундной гребенки частот относительно максимума частоты полосы пропускания интерферометра Фабри-Перо;

Ω - область свободной дисперсии интерферометра Фабри-Перо;

δ - сдвиг полос пропускания интерферометра Фабри-Перо вследствие его дисперсии, который определяется путем предварительной калибровки интерферометра;

с выхода блока сбора и обработки данных сигнал подают на один из входов блока фазовой привязки сдвига гребенки частот, на другой вход которого подают сигнал на частоте Δ₀ от синтезатора опорной частоты сдвига гребенки, опорный сигнал для которого поступает от задающего синтезатора; таким образом, осуществляют фазовую привязку частотного сдвига Δ к частоте Δ₀, так что Δ=Δ₀, при этом частоты синтезаторов частоты повторения импульсов фемтосекундного лазера ω, опорной частоты сдвига гребенки Δ и опорной частоты модулятора интенсивности F₀ синхронизованы между собой по фазе.