Компрессор призмы

Оптическое устройство для укорочения лазерных импульсов

Рисунок 1. Компрессор-призма. Красные линии представляют лучи с большей длиной волны, а синие линии — с меньшей длиной волны. Расстояние между красным, зеленым и синим компонентами длины волны после компрессора нарисовано в масштабе. Эта установка имеет положительную дисперсию.

Призматический компрессор — это оптическое устройство, используемое для сокращения длительности положительно чирпированного ультракороткого лазерного импульса путем придания разным компонентам длины волны разной временной задержки. Обычно он состоит из двух призм и зеркала. На рисунке 1 показана конструкция такого компрессора. Хотя дисперсия материала призмы заставляет разные компоненты длины волны проходить по разным путям, компрессор построен таким образом, что все компоненты длины волны покидают компрессор в разное время, но в одном направлении. Если разные компоненты длины волны лазерного импульса уже были разделены во времени, призменный компрессор может заставить их перекрываться друг с другом, тем самым вызывая более короткий импульс.

Призматические компрессоры обычно используются для компенсации дисперсии внутри лазеров Ti:sapphire с синхронизированными модами . Каждый раз, когда лазерный импульс внутри проходит через оптические компоненты внутри лазерного резонатора, он растягивается. Призматический компрессор внутри резонатора может быть спроектирован таким образом, чтобы он точно компенсировал эту внутрирезонаторную дисперсию. Его также можно использовать для компенсации дисперсии сверхкоротких импульсов вне лазерных резонаторов.

Призматическая компрессия импульсов была впервые представлена ​​с использованием одной призмы в 1983 году Дителем и др. ^[1] , а четырехпризменный компрессор импульсов был продемонстрирован в 1984 году Форком и др. ^[2] . Дополнительные экспериментальные разработки включают в себя компрессор импульсов с парой призм ^[3] и шестипризменный компрессор импульсов для полупроводниковых лазеров. ^[4] Теория дисперсии с несколькими призмами для компрессии импульсов была представлена ​​в 1982 году Дуарте и Пайпером ^[5] , расширена до вторых производных в 1987 году ^[6] и далее расширена до производных фазы более высокого порядка в 2009 году ^[7].

В 2006 году был представлен дополнительный компрессор, использующий большую призму с боковыми отражателями, что позволило реализовать многопроходное расположение призмы. ^[8]

Принцип действия

Рисунок 2. Геометрия призматического компрессора

Рисунок 3. Эффективная длина пути для призменного компрессора с A = 100 мм, θ = 55° и α = 10°. Цвета соответствуют различным значениям B , где B = 67,6 мм означает, что луч едва достигает кончиков обеих призм при показателе преломления 1,6. (Цвета не соответствуют цветам лучей на рисунке 1.)

Рисунок 4. Порядки дисперсии компрессора из пары призм из плавленого кварца на длине волны 780 нм. (p = 2 - GDD, p = 3 - TOD, p = 4 - FOD, p = 5 - FiOD, p = 6 - SiOD, p = 7 - SeOD, p = 8 - EOD, p = 9 - NOD, p = 10 - TeOD)

Почти все оптические материалы, прозрачные для видимого света, имеют нормальную , или положительную, дисперсию: показатель преломления уменьшается с увеличением длины волны. Это означает, что более длинные волны проходят через эти материалы быстрее. То же самое справедливо и для призм в призменном компрессоре. Однако положительная дисперсия призм компенсируется дополнительным расстоянием, которое компоненты с большей длиной волны должны пройти через вторую призму. Это довольно тонкий баланс, поскольку более короткие волны проходят большее расстояние через воздух. Однако при тщательном выборе геометрии можно создать отрицательную дисперсию, которая может компенсировать положительную дисперсию от других оптических компонентов. Это показано на рисунке 3. Смещая призму P2 вверх и вниз, дисперсия компрессора может быть как отрицательной около показателя преломления n = 1,6 (красная кривая), так и положительной (синяя кривая). Диапазон с отрицательной дисперсией относительно короткий, поскольку призму P2 можно перемещать только вверх на короткое расстояние, прежде чем световой луч полностью ее не попадет.

В принципе, угол α можно изменять для настройки дисперсионных свойств призменного компрессора. На практике, однако, геометрия выбирается таким образом, чтобы падающий и преломленный лучи имели одинаковый угол на центральной длине волны спектра, который необходимо сжать. Такая конфигурация известна как «угол минимального отклонения», и ее легче выровнять, чем произвольные углы.

Показатель преломления типичных материалов, таких как стекло BK7, изменяется лишь на небольшую величину (0,01–0,02) в пределах нескольких десятков нанометров , которые покрывает сверхкороткий импульс. В пределах практического размера призменный компрессор может компенсировать только несколько сотен мкм разницы в длине пути между компонентами длины волны. Однако, используя материал с большим показателем преломления (такой как SF10, SF11 и т. д.), расстояние компенсации может быть увеличено до уровня мм. Эта технология успешно использовалась внутри фемтосекундного лазерного резонатора для компенсации кристалла Ti: сапфира и снаружи для компенсации дисперсии, вносимой другими элементами. Однако дисперсия высокого порядка будет вноситься самим призменным компрессором, а также другими оптическими элементами. Ее можно исправить с помощью тщательного измерения сверхкороткого импульса и компенсировать фазовые искажения. MIIPS — это один из методов формирования импульсов , который может автоматически измерять и компенсировать дисперсию высокого порядка. В качестве усложненного варианта формирования импульса конечное зеркало иногда наклоняют или даже деформируют, допуская, что лучи не возвращаются по тому же пути или расходятся.

На рисунке 4 характеристики порядков дисперсии компрессора из пары призм, изготовленного из плавленого кварца, изображены в зависимости от глубины вставки первой призмы, обозначенной как , для лазерных импульсов с центральной длиной волны и спектральной шириной полосы . Оценка использует оптический формализм Ла-Лагерра — обобщенную формулировку высоких порядков дисперсии. ^{[9] [10]} Компрессор оценивается при угле, близком к углу Брюстера, для разделения между призмами, глубины вставки для второй призмы при минимальной длине волны и угла при вершине для призм из плавленого кварца. ${\displaystyle \ell _{1}}$ ${\displaystyle 780{\text{ nm}}}$ ${\displaystyle \Delta \lambda =30{\text{ nm}}}$ ${\displaystyle L=30{\text{ cm}}}$ ${\displaystyle \ell _{2}={\text{1 mm}}}$ ${\displaystyle \lambda _{min}}$ ${\displaystyle \alpha =69.06^{\circ }}$

Теория дисперсии

Угловая дисперсия для обобщенных призматических решеток, применимая к сжатию лазерных импульсов, может быть точно рассчитана с использованием теории дисперсии множественных призм . ^{[5] [6] [7]} В частности, дисперсия, ее первая производная и ее вторая производная определяются как ^{[5] [6] [7] [11]}

${\displaystyle \nabla _{n}\phi _{2,m}=H_{2,m}+(M^{-1}){\bigg (}H_{1,m}\pm \nabla _{n}\phi _{2,(m-1)}{\bigg )}}$

${\displaystyle \nabla _{n}^{2}\phi _{2,m}=\nabla _{n}H_{2,m}+(\nabla _{n}M^{-1}){\bigg (}H_{1,m}\pm \nabla _{n}\phi _{2,(m-1)}{\bigg )}+(M^{-1}){\bigg (}\nabla _{n}H_{1,m}\pm \nabla _{n}^{2}\phi _{2,(m-1)}{\bigg )}}$

${\displaystyle \nabla _{n}^{3}\phi _{2,m}=\nabla _{n}^{2}H_{2,m}+(\nabla _{n}^{2}M^{-1}){\bigg (}H_{1,m}\pm \nabla _{n}\phi _{2,(m-1)}{\bigg )}+2(\nabla _{n}M^{-1}){\bigg (}\nabla _{n}H_{1,m}\pm \nabla _{n}^{2}\phi _{2,(m-1)}{\bigg )}+(M^{-1}){\bigg (}\nabla _{n}^{2}H_{1,m}\pm \nabla _{n}^{3}\phi _{2,(m-1)}{\bigg )}}$

где

${\displaystyle \nabla _{n}=\partial /\partial n}$

${\displaystyle \,M=k_{1,m}k_{2,m}}$

${\displaystyle \,k_{1,m}=\cos \psi _{1,m}/\cos \phi _{1,m}}$

${\displaystyle \,k_{2,m}=\cos \phi _{2,m}/\cos \psi _{2,m}}$

${\displaystyle \,H_{1,m}=(\tan \phi _{1,m})/n_{m}}$

${\displaystyle \,H_{2,m}=(\tan \phi _{2,m})/n_{m}}$

Угловые величины определены в статье для теории дисперсии с несколькими призмами , а высшие производные даны Дуарте . ^{[7] [11] [12]}

Сравнение с другими импульсными компрессорами

Наиболее распространенный другой импульсный компрессор основан на решетках (см. Усиление чирпированного импульса ), которые могут легко создавать гораздо большую отрицательную дисперсию, чем призменный компрессор (сантиметры, а не десятые доли миллиметра). Однако решетчатый компрессор имеет потери не менее 30% из-за дифракции более высокого порядка и потерь поглощения в металлическом покрытии решеток. Призменный компрессор с соответствующим антибликовым покрытием может иметь потери менее 2%, что делает его приемлемым вариантом внутри лазерного резонатора . Более того, призменный компрессор дешевле решетчатого компрессора.

Другой метод сжатия импульса использует чирпированные зеркала , которые являются диэлектрическими зеркалами , спроектированными таким образом, что отражение имеет отрицательную дисперсию. Чирпированные зеркала сложно изготовить; кроме того, величина дисперсии довольно мала, что означает, что лазерный луч должен отражаться несколько раз, чтобы достичь той же величины дисперсии, что и с одним призматическим компрессором. Это означает, что его трудно настраивать. С другой стороны, дисперсия чирпированного зеркального компрессора может быть изготовлена ​​с определенной дисперсионной кривой, тогда как призматический компрессор предлагает гораздо меньше свободы. Чирпированные зеркальные компрессоры используются в приложениях, где необходимо сжимать импульсы с очень большой полосой пропускания.

Смотрите также

• Усиление чирпированного импульса
• Ti:сапфировый лазер
• Блокировка моделей
• Сверхкороткий импульс
• MIIPS — метод калибровки и коррекции искажений высокого порядка фемтосекундного лазерного импульса.
• Теория дисперсии с множественными призмами

Ссылки

1. W. Dietel, JJ Fontaine и JC Diels, «Внутрирезонаторная компрессия импульсов со стеклом: новый метод генерации импульсов короче 60 фемтосекунд», Opt. Lett. 8 , 4-6 (1983).
2. RL Fork, OE Martinez и JP Gordon, «Отрицательная дисперсия с использованием пар призм», Opt. Lett. 9, 150-152 (1984).
3. JC Diels, W. Dietel, JJ Fontaine, W. Rudolph и B. Wilhelmi, Анализ кольцевого лазера с синхронизацией мод: решения с чирпированными одиночными импульсами, J. Opt. Soc. Am. B 2 , 680-686 (1985).
4. LY Pang, JG Fujimoto и ES Kintzer, Генерация сверхкоротких импульсов с помощью мощных диодных матриц с использованием внутрирезонаторных оптических нелинейностей, Opt. Lett. 17 , 1599-1601 (1992).
5. FJ Duarte и JA Piper, "Теория дисперсии многопризменного расширителя пучка для импульсных лазеров на красителях", Opt. Commun. 43 , 303-307 (1982).
6. FJ Duarte, Обобщенная теория дисперсии с несколькими призмами для сжатия импульсов в сверхбыстрых лазерах на красителях, Opt. Quantum Electron. 19 , 223-229 (1987).
7. FJ Duarte, Обобщенная теория дисперсии с несколькими призмами для сжатия лазерных импульсов: производные фазы более высокого порядка, Appl. Phys. B 96, 809-814 (2009).
8. S. Akturk, X. Gu, M. Kimmel и R. Trebino, "Чрезвычайно простой однопризменный компрессор сверхкоротких импульсов" Opt. Exp. 14 , 10101-10108 (2006), PDF.
9. Попминчев, Димитар; Ван, Сыян; Сяоши, Чжан; Стоев, Венцислав; Попминчев, Тенио (2022-10-24). «Аналитический оптический формализм Ла-Лагерра для пертурбативной хроматической дисперсии». Optics Express . 30 (22): 40779–40808. Bibcode : 2022OExpr..3040779P. doi : 10.1364/OE.457139 . PMID  36299007.{{cite journal}}: CS1 maint: дата и год ( ссылка )
10. Попминчев, Димитар; Ван, Сиянг; Сяоши, Чжан; Стоев, Венцислав; Попминчев, Тенио (30 августа 2020 г.). «Возвращение к теории хроматической дисперсии». arXiv : 2011.00066 [физика.оптика].
11. FJ Duarte, Перестраиваемая лазерная оптика: приложения к оптике и квантовой оптике, Prog. Quantum Electron. 37 , 326-347 (2013).
12. FJ Duarte, Tunable Laser Optics, 2-е издание (CRC, Нью-Йорк, 2015).