§ 6.4. Схемы компрессии; обзор экспериментальных данных

Оптические компрессоры, использующие фазовую самомодуляцию импульсов в волоконных световодах, стали неотъемлемой частью фемтосекундных лазерных систем. Общие принципы их построения едины, вместе с тем разработка компрессоров, предназначенных для разных лазеров и различных диапазонов длительностей имеет специфику. Можно выделить по крайней мере три направления разработок, где отчетливо проявляются специальные требования к фазовому модулятору и схеме компрессии.

Первое из них связано с компрессией перестраиваемых по частоте импульсов, генерируемых лазерами на красителях с синхронной накачкой, от начальной длительности в единицы пикосекунд вплоть до десятков фемтосекунд. Здесь речь идет обычно о достаточно мощных импульсах, кроме того, существуют возможности промежуточного усиления, в том числе и с килогерцовой частотой повторения. В этом случае весьма эффективны каскадные схемы сжатия и традиционные решеточные компрессоры.

Второе направление высокоэффективная компрессия импульсов, генерируемых квазинепрерывными твердотельными лазерами с

активной синхронизацией мод, от начальной длительности в десятки пикосекунд до сотен фемтосекунд. Здесь чаще всего приходится иметь дело с относительно маломощными импульсами, применение усилителей, как правило, исключается. Вместе с тем используемые нелинейные процессы носят квазистатический характер, инерционность нелинейного отклика и волновая нестационарность практически не проявляются. При создании решеточных компрессоров на первый план выходят проблемы повышения пропускания и устранения пространственного сдвига частотных компонент (§ 4.2).

Третье направление — получение предельно коротких световых импульсов за счет сжатия усиленных импульсов лазеров на красителях с начальной длительностью В этой ситуации существенными становятся нестационарные эффекты, приводящие к нарушению линейности частотной модуляции на выходе световода. В компрессорах важную роль играет компенсация нелинейных аберраций.

Компрессия пикосекундных импульсов лазеров на красителях. Практический интерес к этому направлению в получении сверхкоротких импульсов в значительной мере был стимулирован работой Гришковского, Накацуки и Баланта [43], впервые продемонстрировавших подавление нелинейных аберраций при дисперсионной фазовой самомодуляции (§ 4.3).

Рис. 6.15. Корреляционная функция В и временное распределение интенсивности I пикосекундного импульса на выходе волоконного световода: точки — экспериментальные результаты, сплошная линия — расчетные данные [43]

Авторы [43] исследовали нелинейное преобразование огибающей и спектра пикосекундных импульсов в одномодовом световоде (длина диаметр сердцевины В результате самовоздействия длительность импульса увеличилась до а его форма стала близка к прямоугольной. После прохождения линии задержки (в этих демонстрационных опытах применялась ячейка с парами натрия) импульс сжимался до На рис. 6.15 экспериментальные результаты сопоставлены с данными численного эксперимента, основанного на решении нелинейного уравнения Шредингера. Видно, что импульс приобретает форму близкую к прямоугольной и, следовательно, частотная модуляция становится практически линейной. Незначительные отличия экспериментальных и расчетных данных наблюдаются лишь на фронте и хвосте импульса. Эти результаты послужили основой для реализации дисперсионного сжатия перестраиваемых по частоте импульсов лазера на красителе от до [44], степень сжатия составляла

Существенно большие степени сжатия реализуются в каскадных схемах [45] (рис. 6.16). Исходный импульс с длительностью и пиковой мощностью испытывал дисперсионную фазовую самомодуляцию в световоде длиной и сжимался в первом компрессоре до Фактически в первом каскаде была достигнута предельная степень сжатия дальнейшее увеличение входной мощности приводит к развитию вынужденного комбинационного рассеяния. Во втором отрезке световода см) вновь производился набор частотной модуляции. На выходе второго компрессора импульсы имели длительность пиковую мощность и следовали с частотой повторения 800 Гц. Дальнейшее совершенствование этой схемы за счет введения промежуточного усилителя на красителе позволило достичь предельно малых длительностей выходного импульса, при пиковой мощности и частоте повторения

Рис. 6.16. Схема двухкаскадного сжатия [45]

Яркая демонстрация подавления нелинейных аберраций дана в [47]. Авторы сообщают об успешном использовании эффектов нелинейного двулучепреломления для улучшения временной структуры сжатых импульсов. Им удалось в одном каскаде уменьшить длительность импульсов лазера на красителе с до причем форма сжатых импульсов с высокой степенью точности описывалась гиперболическим секансом.

Сжатие квазинепрерывного излучения твердотельных лазеров. Импульсы квазинепрерывной генерации YAG : Nd3+ лазеров имеют сравнительно большую длительность невысокую пиковую мощность и следуют с большой частотой повторения Достаточно сильная частотная модуляция таких импульсов может быть получена только в длинных световодах,

Авторы [48] реализовали -кратное сжатие импульсов второй гармоники YAG : Nd3+ лазера с активной синхронизацией мод. Импульсы второй гармоники имели начальную длительность пиковую мощность и частоту повторения Параметры входного излучения и сохраняющего поляризацию световода (длина диаметр сердцевины были согласованы так, чтобы реализовать оптимальный режим компрессии. Применялась двухпроходная схема решеточного компрессора, позволившая избежать дифракционного смещения лучей и получить на выходе импульсы с длительностью и пиковой мощностью В последующей работе

[49] за счет увеличения коэффициента передачи компрессора удалось повысить пиковую выходную мощность до Перестраиваемые по длительности сжатые импульсы были использованы для синхронной накачки лазера на красителе.

Обсудим эксперименты по компрессии импульсов YAG : Nd3+ лазеров на основной частоте. При переходе из видимого в ИК диапазон частот уровень оптических потерь в световоде снижается с 16—20 до что позволяет использовать волокна длиной и эффективно сжимать импульсы малой мощности. Наглядной иллюстрацией здесь может служить работа [50], авторы которой провели -кратное сжатие (от 80 до квазинепрерывного излучения YAG : Nd3+ лазера. В качестве фазового модулятора использовался одномодовый световод длиной После удвоения частоты в кристалле КТР получена средняя мощность при частоте повторения

Рис. 6.17. Самовоздействие пикосекундного импульса в волоконном световоде при различной входной средней мощности а — временное распределение интенсивности (справа показан входной импульс); спектры; [53]

Двухкаскадная схема позволяет достичь степени сжатия и получить субпикосекундные импульсы с мощностью [51]. Первый каскад, как правило, работает в бездисперсионном режиме фазовой самомодуляции, второй — в дисперсионном. Дальнейшее развитие техники каскадного сжатия [52] позволило увеличить до 450. Длительность сжатых импульсов составила пиковая мощность —

Детальное исследование зависимости спектральных и временных характеристик на длине волны излучения проведено в [53]. По мере увеличения входной мощности от до длительность импульса на выходе световода длиной увеличивалась от 85 до а его огибающая приближалась к прямоугольной (рис. 6.17). Затем наблюдалось уменьшение до при Авторы [53] связывают эту немонотонную зависимость с комбинационным преобразованием частоты. Иллюстрацией может служить рис. 6.17а (3), на котором отчетливо виден стоксов импульс опережающий импульс накачки. Генерация излучения на стоксовой

частоте подавляется из-за расстройки групповых скоростей. Разбегание импульсов при сдвиге частот соответствующем центру линии комбинационного усиления, равно при при что ограничивает длину эффективного энергообмена расстоянием при длительности импульса Комбинационное преобразование частоты в условиях большой расстройки групповых скоростей эквивалентно увеличению потерь на основной частоте излучения и, следовательно, снижает эффективность самовоздействия.

Для совершенствования сверхскоростных оптических информационных систем и их метрологического обеспечения необходимы сверхкороткие импульсы в диапазоне длин волн В [54] сообщается -кратном сжатии (от 100 до импульсов YAG : Nd3+ лазера, работающего на длине волны Для создания дисперсионной использовался световод длиной причем длина волны соответствующая нулевой дисперсии групповой скорости, была сдвинута в область подбором легирующих добавок и профиля показателя преломления. Получена пиковая мощность выходного импульса Добавление второго отрезка световода с аномальной дисперсией групповой скорости позволило получить фемтосекундные импульсы в режиме солитонного самосжатия. Итоговая степень сжатия

Использование световодов с различными знаками дисперсии групповой скорости позволяет создавать чисто волоконные схемы сжатия, не требующие применения решеточных компрессоров [55]. Первый отрезок световода используется в качестве фазового модулятора, второй — распределенного нелинейного компрессора. В теоретической работе [56] выявлены оптимальные режимы работы таких схем и показано, что их можно использовать для преобразования многосолитонных импульсов накачки в мощные односолитонные импульсы.

Нелинейная фильтрация и компрессия импульсов твердотельных лазеров с активной синхронизацией мод и модуляцией добротности. Преимущества лазеров, работающих в режиме двойной модуляции, детально обсуждались в § 6.2. Главное из них — сочетание высокой импульсной мощности порядка с килогерцовой частотой повторения. Для сжатия высокоэнергетичных импульсов как на основной [57], так и на удвоенной частоте [58], приходится применять сравнительно короткие отрезки световодов, Ограничение на длину световода определяется порогом вынужденного комбинационного рассеяния и приводит к неравенству где эффективная интенсивность (§ 5.5). В этом случае реализуется бездисперсионная фазовая самомодуляция, которая приводит к снижению энергетической эффективности компрессии и контраста сжатого импульса. Кроме того, лазеры с двойной модуляцией имеют более высокий уровень флуктуаций параметров излучения, что, естественно, дестабилизирует параметры сжатых импульсов.

Чтобы преодолеть эти недостатки, в [59] была создана схема сжатия, в которой кристалл-удвоитель помещается между волоконным световодом и решеточным компрессором. Напомним, что в

бездисперсионном режиме степень сжатия Так как предельное значение произведения а коэффициент усиления на стоксовой частоте обратно пропорционален длине волны: где константа то максимальная степень бездисперсионного сжатия практически не зависит от длины волны.

Рис. 6.18. (см. скан) Схема нелинейно-оптического компрессора: 1 — линзы, 2 — волоконный световод, 3 — кристалл-удвоитель, 4 — делительная пластина, 5 — голографическая дифракционная решетка, 6 — призма, 7 — зеркало; на вставках приведены корреляционные функции интенсивности импульсов на выходе удвоителя и компрессора (б) при различной длине кристалла КТР [59]

В схемах с удвоением частоты до или после компрессии степень сжатия, вычисленная по отношению к длительности импульса на частоте задающего генератора, увеличивается еще в раз за счет укорочения импульсов в процессе ГВГ.

В схеме, реализованной авторами [59] (рис. 6.18), удваивается частота свипированных импульсов. Если при этом ширина полосы спектрального синхронизма не ограничивает спектр излучения, то

диапазон свипирования частоты также удваивается. Результатом этого является повышение предельной степени сжатия на частоте гармоники в раз. При увеличении длины нелинейного кристалла сужается полоса спектрального синхронизма и кристалл-удвоитель начинает играть роль аподизирующего полосового фильтра. Как показали результаты математического моделирования и экспериментов [59], спектральная фильтрация приводит к повышению контраста и подавлению флуктуаций параметров сжатых импульсов.

Схема экспериментальной установки представлена на рис. 6.18. Лазер, работающий в сдвоенном режиме, генерировал цуги импульсов с частотой повторения Основными элементами волоконно-оптического компрессора служили одномодовый волоконный световод длиной кристалл КТР и голографическая дифракционная решетка. Варьирование длины кристалла-удвоителя позволяло изменять ширину полосы спектрального синхронизма. На рис. 6.18 приведены корреляционные функции интенсивности второй гармоники, измеренные до (а) и после (б) сжатия в решеточном компрессоре. Видно, что увеличение от 2 до приводит к уменьшению длительности частотно-модулированных импульсов на выходе кристалла с 62 до При этом длительность сжатых импульсов растет с 1,1 до 2,8 пс, но снижение степени сжатия компенсируется повышением контраста и уменьшением флуктуаций длительности с 30 до 10 %. Отметим, что простым поворотом кристалла-удвоителя осуществляется плавная перестройка частоты излучения в пределах уширенного в световоде спектра

В заключение подчеркнем, что реализованная схема нелинейно-оптической компрессии позволяет совместить стабилизацию и управление параметрами импульсного излучения с высокой степенью сжатия Мощные высококонтрастные импульсы с длительностью используются для накачки различных типов перестраиваемых по частоте фемтосекундных лазеров.

Эксперименты по получению предельно коротких импульсов видимого диапазона. В первых экспериментах подобного рода в качестве источников использовались кольцевые лазеры на красителях,

Таблица 6.3 (см. скан) Компрессия фемтосекундных импульсов

работающие по схеме сталкивающихся импульсов. Необходимый для сжатия высокий уровень входной мощности обеспечивался применением усилителей на красителях (§ 6.5), позволяющих получать фемтосекундные импульсы с энергиями в десятки наноджоулей.

Шенк, Форк, и Столен сжали перестраиваемые по частоте импульсы лазера на красителе с 90 до осуществив дисперсионную фазовую самомодуляцию в одномодовом световоде длиной 15 см; сжатие производилось в обычном решеточном компрессоре [601.

Рис. 6.19. а — Корреляционная функция интенсивности фемтосекундного импульса, измеренная в эксперименте [63]; б - корреляционная функция поля импульса с длительностью [64]

Результаты последующих экспериментов по сжатию фемтосекундных импульсов лазеров на красителях суммированы в табл. 6.3. Они наглядно демонстрируют прогресс в технике генерации, усиления и компрессии фемтосекундных импульсов. Минимальная длительность, достигнутая с помощью решеточного компрессора, который фазирует гармоники уширенного спектра в параболическом приближении, составила [63], что соответствует примерно четырем периодам оптических колебаний.

Следующий шаг в направлении получения предельно коротких импульсов стал возможен благодаря теоретическому анализу влияния возмущающих факторов (§ 4.7), приводящих к нарушениям линейности частотной модуляции при самовоздействии в световодах, и разработке комбинированных решеточно-призменных компрессоров, которые позволяют компенсировать не только линейную, но и квадратичную по времени частотную модуляцию, т. е. к разработке временной «линзы», способной устранять аберрации.

В экспериментах [64] импульсы длительностью и энергией до на длине волны модулировались по частоте

в световоде длиной С помощью пары решеток их удалось сжать до Регистрируя зависимость сигнала при генерации суммарной частоты сжатого и исходного импульсов в тонком кристалле KDP от относительной временной задержки импульсов, авторы [64] установили наличие остаточной квадратичной частотной модуляции сжатого импульса. Устранение этой модуляции компрессором, состоящим из двух пар призм, разнесенных на расстояние 71 см пары решеток и кварцевой пластинки толщиной 6 см, привело к формированию импульсов длительностью Корреляционная функция поля сжатых импульсов, измеренная по коллинеарной схеме приведена на рис. 6.196. Таким образом, в видимом диапазоне частот экспериментальные результаты вплотную приблизились к теоретическому пределу в один оптический период.