Kształt impulsu przy swobodnej generacji

P

p

t

[ms]

Impulsowe pompowanie

lasera

ΔN

0

Inwersja obsadzeń

próg generacji

stan równowagi

t

t

P

L

Generowany impuls

lasera jako zbiór

podimpulsów

Kształt impulsu przy

modulowanej dobroci

rezonatora

P

p

t

[ms]

Pompa

ΔN

0

próg
generacji

stan równowagi

t

Inwersja obsadzeń

swobodna generacja

Q

Q

max

Q

min

t

Dobroć rezonatora

swobodna generacja

P

L

Impuls lasera

Metody realizacji modulacji dobroci rezonatora

cd

Za pomocą modulatora Pockelsa

Wyjście

impulsowe

Modulator

Pockelsa

Sterowanie

Ośrodek czynny

Polaryzator

Lampa wyładowcza

Zasilacz

Czas zadziałania modulatora rzędu

10

-10

s

Maksymalne moce rzędu

MW

Impulsy

nanosekundowe

Absorpcja ośrodka liniowego i nieliniowego

τ

1

Gęstość mocy

M

wiązki

W/mm

2

Lokalna

transmisja

ośrodka

I

0

I

d

Dla ośrodka liniowego transmisja

(

)

d

exp

I

I

0

β

−

=

=

τ

gdzie

β stały

współczynnik absorpcji charakteryzujący stopień absorpcji

ośrodka na jednostkę długości niezależnie od wartości padającej

intensywności

s

0

M

M

1

+

β

=

β

W ośrodku z nieliniową absorpcją lokalny współczynnik absorpcji

gdzie

M

gęstość mocy

wiązki padającej

M

s

– stała zależna od ośrodka

Im większa wartość gęstości mocy

M

,

tym mniejszy współczynnik

β

Lokalny współczynnik transmisji

β

−

=

τ 1

Absorpcja ośrodka liniowego i nieliniowego

cd

Wyjaśnienie zjawiska

– model kwantowy

0

1

I

0

I

Ośrodek dla małego

I

0

w stanie równowagi

mocno absorpcyjny

0

1

I

0

I

Ośrodek dla dużego

I

0

w stanie równowagi

niemal przezroczysty

Istnieją różne mechanizmy absorpcji (np. metale) i nie każdy ośrodek jest

nieliniowy

Metody realizacji modulacji dobroci rezonatora

cd

Z wykorzystaniem nieliniowej absorpcji -

migawka pasywna

Ośrodek

nieliniowy

Emisja spontaniczna zmniejsza

się absorpcję migawki -

wzrost

dobroci rezonatora

Uruchomienie akcji laserowej

– migawka jest przeźroczysta

maksymalna dobroć rezonatora

Na początku emisji spontanicznej

migawka absorbuje –

niska

dobroć rezonatora

Ośrodek czynny

Lampa wyładowcza

Zasilacz

Moment startu akcji laserowej regulowany stężeniem ośrodka nieliniowego

Zaleta:

brak aktywnego sterowania migawką

Wada:

podgrzewanie ośrodka nieliniowego i jego parowanie

Parametry podobne jak z modulatorem Pockelsa

impulsy nanosekundowe

Synchronizacja modów –

mode locking

Impulsy pikosekundowe

Wykorzystuje się interferencję

modów podłużnych modu

TEM

00

przy zachowaniu tej

samej fazy początkowej

λ

ν

Próg
generacji

K+3

K+2

K+4

K+5

K+1

K+6

K

δλ

Interferuje

N

modów

(na rysunku

N = 7

)

Rozkład pola dla modu

K

( )

(

)

[

]

z

k

t

i

exp

z

,

r

V

V

K

K

0

K

−

ω

=

gdzie

V

0

(r,z)

jest zespoloną amplitudą uwzględniająca zmiany fazowe i

amplitudowe jednakowe dla wszystkich modów

Założone przy tym, że intensywności i fazy początkowe wszystkich

modów są jednakowe.

Zgodność faz będzie osiągana przez odpowiednią budowę lasera, natomiast

założenie jednakowych intensywności jest częściowo usprawiedliwione i

wynika raczej z prostoty rozważań

Synchronizacja modów

cd

Laser generuje periodyczny zbiór impulsów

Odległość między impulsami równa podwójnej długości rezonatora

Szerokość impulsu w mierze liniowej

δz = 2d/N

– gdzie

N

jest liczbą

interferujących modów podłużnych

Szerokość impulsu w mierze czasowej

δt = δz⋅n

p.

/c

–

gdzie

n

p

jest współczynnikiem załamania powietrza

Im więcej modów podłużnych, tym krótszy impuls.

Oznacza to, że należy

w tym celu wykorzystywać ośrodki laserowe

z szeroką linią widmową

Aby uzyskać impuls

4.5 fs

(

rekordowe osiągnięcie

), co odpowiada

szerokości

δz = 1.35 μm

, dla lasera z rezonatorem

d = 0.5 m

należy

wykorzystać co najmniej

N = 740000 modów podłużnych

Laser

t = const

z

2d

d

2d/N

Idea synchronizacji faz początkowych modów

Absorber nieliniowy
migawka pasywna

d

z

2d

Ośrodek czynny

Migawka pasywna otwierana jest przez propagujące się impuls

raz na dwie długości rezonatora

Idea synchronizacji faz początkowych modów

W wyniku interferencji impuls, który otwiera migawkę

odbity impuls

podział impulsu na

zwierciadle

2d

Wydzielenie pojedynczego impulsu z jego zbioru

Modulator Pockelsa
pod napięciem jako
półfalówka

2d

Propagujący się zbiór

impulsów liniowo

spolaryzowanych

Zasilacz wysokiego
napięcia

Płytka odbijająca światło spolaryzowane

a odbijająca polaryzację

Zogniskowany impuls

wywołujący jonizację

Pojedynczy impuls

Półfalówka obraca płaszczyznę polaryzacji

fs = 10

-15

s

W próżni w km/s
c = 299 792.4562 ± 0.0011

≈ 3•10

14

μm/s

Rekordowy impuls

≈ 4.5 fs

Kompresja impulsu przez samomodulację

fazową w kształtowanym światłowodzie

Tytanowy

OPA

Szerokość impulsu w próżni

[

μm]

m

35

.

1

10

5

.

4

10

3

t

c

l

15

14

μ

=

⋅

⋅

⋅

≈

Δ

⋅

=

Δ

−

Samomodulacja w

światłowodzie krzemionkowym

czas

[fs]

-20 0 20

Photonics Spectra, luty 2000

str. 100-102

OPA – optical parametric amplifier

Lasery barwnikowe

Tytanowy

Szeroko

ść

impulsu

Lata

Impuls skompresowany

OPA

Pomiar szerokości impulsu

OE magazine, październik 2001, str. 48

czas [fs]

pole elektryczne

przesuw

zwierciadła

kompensator dyspersji

optyczny element

nieliniowy blokujący

generację drugiej

harmonicznej dla

pojedynczego impulsu

(zbyt niska moc)

czas opóźnienia [fs]

∝

przesuw zwierciadła [

μm]

korelacja sygna

łów

Trwają prace w celu otrzymania impulsów attosekundowych w

miękkim paśmie rentgenowskim

as = 10

-18

s

Osiągnięto impuls

≈ 250 as

OE Magazine, maj 2004, strony 18-22

Cel: sterowanie reakcjami chemicznymi