Общие принципы построения фемтосекундных лазерных систем

В этом параграфе мы рассматриваем структуру фемтосекундных лазерных систем. За последние годы сформулирован и переосмыслен ряд принципиально важных для фемтосекундной лазерной физики идей, позволивших достичь значительного прогресса прямых методов генерации импульсов с длительностью вплоть до десятков периодов оптических колебаний в лазерах на красителях. Интенсивно развивалась техника волоконно-оптической компрессии, базирующаяся на использовании сред с кубичной нелинейностью для уширения спектра сверхкоротких импульсов и последующей фазировки спектральных компонент. Разработаны эффективные методы усиления фемтосекундных импульсов.

Создание фемтосекундных лазерных систем потребовало не только привлечения новых физических идей, но и новых инженерно-технических решений. Чтобы проиллюстрировать возникающие здесь технические проблемы, приведем ряд оценок. Импульс с длительностью 30 фс (λ=0,6 мкм) получается за счет фазировки спектральных компонент в диапазоне длин волн Δλ ~ 20 нм. При распространении в воздухе на расстояние 15 м его длительность за счет дисперсии увеличивается в полтора раза. В прозрачных конденсированных средах (стекло, вода) дисперсионная длина не превышает одного сантиметра. Надо сказать, что разработка широкополосных оптических элементов с контролируемыми амплитудными и, что весьма существенно, фазовыми характеристиками является одной из актуальных задач.

В фемтосекундных лазерах реализация синхронного режима накачки требует согласования длин резонаторов с интерферометрической точностью (до 10^-3 см), так что при использовании стальной оптической скамьи изменение температуры в лаборатории всего на один градус вызывает нарушение синхронного режима. В связи с этим особое значение приобретают системы автоматической стабилизации и управления оптическими системами с помощью ЭВМ.

Проблемы создания фемтосекундной техники успешно решаются рядом лабораторий. Накопленный при этом практический опыт привел к разработке основных функциональных модулей, позволяющих строить гибкие фемтосекундные системы, ориентированные на приложения в физике полупроводников и твердого тела, исследования в области электрооптики, динамики химических реакций и биологических процессов.

К числу основных модулей относятся задающие генераторы с фиксированной длиной волны, выполненные на основе твердотельных или ионных лазеров. В последнее время особый интерес вызывают высокостабильные лазеры на гранате с неодимом, работающие в режиме активной синхронизации мод или в сдвоенном режиме — синхронизации мод и модуляции добротности. Преобразование частоты задающих генераторов, как правило с уменьшением длительности, осуществляется методами нелинейной оптики (генерация гармоник, параметрическое преобразование частот) или путем накачки перестраиваемых по частоте лазеров (на красителях, центрах окраски, полупроводниковых или ВКР лазеров).

Управление длительностью, включая сжатие до единиц и десятков фемтосекунд, а также формой сверхкоротких импульсов производится с помощью волоконно-оптических компрессоров, содержащих амплитудные и фазовые фильтры. Важным элементом фемтосекундных лазерных систем являются широкополосные усилители (на красителях, эксимерах, стеклах, кристаллах с центрами окраски), позволяющие в ряде случаев достичь пиковых значений мощности 10¹² Вт. И наконец, созданы комплексы контрольно-диагностической аппаратуры, измеряющие энергию, длительность, а также временной ход интенсивности и фазы сверхкоротких импульсов.

 

4.2. Задающие твердотельные генераторы.

 

В настоящем параграфе мы кратко обсудим основные характеристики задающих твердотельных генераторов, используемых в фемтосекундных лазерных системах. Основное внимание уделяется последним достижениям в области повышения спектрального качества, стабильности, воспроизводимости и уменьшения длительности импульсов задающих генераторов.

Пикосекундные импульсные твердотельные лазеры. Основным преимуществом импульсно накачиваемых твердотельных лазеров с пассивной синхронизацией мод является высокая энергия импульсов, сочетающаяся со сравнительно малой начальной длительностью. Напомним типичные характеристики лазера на алюмоиттриевом гранате с пассивной синхронизацией мод: полная энергия цуга генерации до 10 мДж, единичного импульса до 1 мДж при длительности от 20 до 40 пс. Лазеры на гранате могут работать с частотой повторения в единицы и десятки герц. Существенное улучшение стабильности и воспроизводимости генерационных характеристик подобных систем достигается за счет введения электронного управления добротностью резонатора [6].

Рис. 4.1. Схема импульсного твердотельного лазера с пассивной синхронизацией мод и электронным управлением добротностью резонатора: 1-зеркало с кюветой, 2— электрооптический затвор, 3-диафрагма, 4-активный элемент, 5-блок призм, 6 — выходное зеркало; 7 — вспомогательная призма, 8 и 9 — фотодиоды, 10 — усилитель, 11 — блок лавинных транзисторов, 12 — блок задержки; 13 — блок формирования импульса, управляющего добротностью [6]

 

Схема генератора приведена на рис. 4.1. В качестве активного элемента использован двулучепреломляющий кристалл YA1O₃: Nd₃₊, вырезанный вдоль оси В. Блок из трех призм обеспечивает насройку лазера на длину волны излучения 1,064 мкм. Для пассивной синхронизации мод применялся раствор красителя № 3955 в изобутиловом спирте, помещен- ный в кювету, находившуюся в контакте с глухим зеркалом резонатора. Управление добротностью осуществляется с помощью электрооптического затвора. Вначале на него подается запирающее напряжение, снижающее добротность резонатора (рис. 4.2). Часть энергии цуга, генерируемого в режиме пассивной синхронизации мод, отводится на фотодиоды. По достижении некоторого порогового значения мощности излучения, электронная схема вырабатывает синхроимпульс и включает цепь отрицательной обратной связи, которая снижает добротность резонатора до значения, близкого к порогу генерации. В это время энергия пйчков генерации поддерживается на постоянном уровне, а их длительность за счет действия поглотителя уменьшается. Этот процесс продолжается в течение регулируемого промежутка времени Δt~800 нс. Затем формируется отпирающий импульс большой амплитуды, увеличивающий добротность резонатора до максимального значения. Благодаря высокому уровню инверсии активного элемента генерируется цуг мощных пикосекундных импульсов.

 

Рис. 4.2. Изменение во време- ни добротности резонатора Q и огибающей цуга излучения лазера / при управлении добротностью [6]

 

Рис. 4.3. Уменьшение длительности частотно-модулированного импульса при его усилении: а — зависимость интенсивности / и текущей частоты v исходного импульса от времени; б — контур линии усиления; в — выходной импульс

 

Экспериментальные исследования этого генератора [5] показали, что за счет управления добротностью длительность генерируемых импульсов уменьшается с 35 до 15 пс, стандартное отклонение длительности и флуктуации энергии излучения, измеренные по второйгармонике, уменьшаются с десятков процентов до единиц. Наличие синхроимпульса, опережающего цуг генерации на время, плавно регулируемое в пределах 300—1500 нс с погрешностью ±5 нс, позволяет решать технические проблемы синхронизации с другими импульсными устройствами.

Перспективное направление совершенствования подобных систем связано с использованием контролируемой внутрирезонаторной фазовой самомодуляции. По расчетным данным [6] в резонаторах с малым числом Френеля фазовая самомодуляция однородна по сечению пучка, ее наличие приводит к уменьшению длительности импульсов вплоть до минимальных значений в 2—3 пс, определяемых шириной полосы усиления активного элемента. Физическая картина уменьшения длительности частотно-модулированного импульса при его усилении иллюстрируется рис. 4.3.

Активные элементы на основе силикатного или фосфатного стекла с неодимом имеют широкую полосу усиления (свыше 100 см^-1) и поэтому позволяют усиливать и генерировать субпикосекундные импульсы. Однако на практике пока не удается осуществить синхронизацию мод в пределах всей полосы усиления. Типичные значения длительности импульсов заключены в интервале 4—10 пс при энергии до 10 мДж. Заметим, что высокое спектральное качество достигается, как правило, в начале цуга генерации. В условиях широкой неоднородно-уширенной линии усиления фазовая самомодуляция играет негативную роль, приводя к развитию автомодуляционной неустойчивости, появлению субструктуры и ухудшению спектрального качества.

Помещение в резонатор частотного фильтра может радикально изменить ситуацию [6]. Авторы исследовали генерационные характеристики импульсного лазера на фосфатном стекле с активной синхронизацией мод и модуляцией добротности. В качестве фильтра использовался эталон Фабри — Перо толщиной 0,25 мм с шириной полосы пропускания 15 см^-1. Благодаря фазовой самомодуляции и ограничению полосы усиления длительность импульсов в цуге монотонно уменьшалась от 40 до 4 пс. Наивысшее спектральное качество достигалось в конце цуга.

Непрерывно накачиваемые твердотельные лазеры с активной синхронизацией мод. Другим принципиально важным для фемтосекундной оптики классом задающих генераторов являются непрерывно накачиваемые твердотельные генераторы с активной синхронизацией мод. Использование квазинепрерывных систем открывает широкие возможности на стадии обработки сигналов: работа в режиме накопления, применение техники синхронного усиления, детектирования и т. д. Они генерируют импульсы длительностью 70—100 пс с частотой повторения 82—100 Мгц и средней выходной мощностью 7—10 Вт. Стандартное отклонение флуктуации выходной мощности на основной частоте излучения не превышает 1,5—2 %. Удвоение частоты в кристалле КТР приводит к следующим значениям параметров: τ_и=30-70 пс, <P> = 1,5—0,75 Вт, флуктуации мощности на уровне 2—3 %. Импульсы этих лазеров на основной и удвоенной частотах успешно сжимаются с помощью волоконно-оптических компрессоров более чем в сто раз. Одной из основных областей их применения является синхронная накачка перестраиваемых по частоте лазеров на красителях.

Твердотельные лазеры с активной синхронизацией мод и модуляцией добротности. Преимущества импульсных (высокая энергия) и квазинепрерывных (высокая частота повторения, стабильность) систем удачно сочетаются в непрерывно накачиваемых твердотельных лазерах, работающих в режиме активной синхронизации мод и модуляции добротности. Одна из возможных схем лазера с двойной модуляцией представлена на рис. 4.4 [7]. Синхронизация мод осуществляется акустооптическим модулятором со стоячей волной, для модуляции добротности используется акустооптический модулятор с бегущей волной. В режиме двойной модуляции излучение лазера представляет собой совокупность цугов пикосекундных импульсов, следующих с регулируемой частотой повторения (до 5 кГц). Средняя мощность излучения на основной частоте — 2 Вт, средняя длительность импульса ~ 70 пс, пиковая мощность —• 2 МВт, число импульсов в цуге — 30, флуктуации энергии на уровне 4 %. Эффективное удвоение частоты в кристалле КТР приводит к длительности импульсов второй гармоники ~ 50 пс при пиковой мощности 1 МВт.

 

 

Рис. 4.4. Схема YAG: Nd3+ лазера, работающего в режиме активной синхронизации мод и модуляции добротности: 1 — глухое сферическое зеркало, 2 — брюстеровская пластинка, 3 — активный элемент, 4 — акустооптический модулятор добротности, работающий в режиме бегущей волны, 5 — акустооптический синхронизатор мод, работающий в режиме стоячей волны, 6 — выходное зеркало [8]

 

Дальнейшее улучшение генерационных характеристик лазера на гранате с двойной модуляцией достигается за счет введения электронного управления добротностью резонатора и специального выбора режима работы [8] (рис. 4.5). Предварительное формирование времен ной структуры излучения производится в условиях низкой добротности резонатора, а затем, при резком увеличении добротности, происходит быстрое развитие цуга генерации. Электронная система обратной связи обеспечивает скачкообразный рост добротности резонатора в промежутке между пичками предварительной генерации.

 

Рис. 4.5. Диаграмма работы YAG - Nd³⁺ лазера с двойной модуляцией: 1 — эффективность дифракции в акустооптическом модуляторе добротности, 2 — эффективность дифракции в синхронизаторе мод, 3 — огибающая цуга лазерного излучения [9]

 

При оптимальном значении длительности свободной генерации 100 мкс формировались цуги спекгрально-ограниченных импульсов с длительностью 35 пс, пиковой мощностью свыше 1 МВт (при частоте следования 1 кГц) и уровнем флуктуации энергии не более 5 %. Частоту повторения цугов vn можно варьировать в интервале от единиц до десятков килогерц. Авторы [8] отмечают, что при использовании специальных режимов модуляции добротности частоту л>п можно увеличить до сотен килогерц.

Генераторы с двойной модуляцией на основной или удвоенной частоте успешно используются для синхронной накачки лазеров на красителях, центрах окраски и параметрических генераторов, что позволяет перекрыть весьма широкий диапазон длин волн спектрально-ограниченными импульсами с пиковой мощностью в десятки киловатт.

По-прежнему, широко применяются лазеры на ионах инертных газов (аргоновые и криптоновые). В режиме синхронизации мод они генерируют импульсы длительностью порядка 102 пс, с частотой повторения 102 МГц и средней мощностью свыше 1 Вт. Основная область их применения — накачка лазеров на красителях.