§ 6.5. Усиление сверхкоротких импульсов

Одним из ключевых элементов современных фемтосекундных лазерных систем являются оптические усилители. Их пригодность в фемтосекундном диапазоне длительностей определяется в первую очередь шириной полосы усиления Предельная длительность усиливаемого импульса не может превышать поэтому практическое применение нашли три типа усилителей: на красителях, стекле с неодимом и на эксимерах. Усилители на красителях обладают весьма широкой полосой усиления в них возможно усиление импульсов предельно малой длительности. В усилителях на стекле и эксимерах и минимальная длительность усиливаемого импульса составляет порядка

Физика и техника усиления зависят от области применения формируемых импульсов. Если речь идет о спектроскопических приложениях, то, как правило, не требуется выходная энергия, превышающая десятки наноджоулей. Основное внимание уделяется сохранению формы импульсов, их контрасту и возможности работы с большой частотой повторения. Коэффициент усиления — .

Вместе с тем имеется другой круг проблем, где речь идет о получении сверхсильных оптических полей, и в этом случае наряду с широкой полосой усиления важной становится плотность энергии насыщения С точки зрения получения сверхсильных полей особый интерес представляют твердотельные усилители (для стекла и усилители на эксимерах, в которых существенно меньше, но зато имеется возможность значительного увеличения апертуры.

Усилители на красителях. В видимом диапазоне длин волн наиболее эффективными являются усилители на красителях, которые можно накачивать излучением второй гармоники твердотельных лазеров, эксимерными лазерами или лазерами на парах металлов. На рис. 6.20 приведена схема сравнительно простой установки [65], основным элементом которой является лазер на красителе, синхронно

накачиваемый излучением второй гармоники лазера на фосфатном стекле с пассивной синхронизацией мод. При согласовании длин резонаторов лазер на красителе генерировал цуги из 6—8 импульсов со средней по цугу длительностью и пиковой мощностью Выделение импульса с максимальной амплитудой производилось электрооптическим затвором. Импульс лазера на красителе модулировался по частоте в отрезке одномодового световода длиной в результате спектр уширялся до

Рис. 6.20. а — Схема генерации мощных перестраиваемых по частоте спектрально-ограниченных субпнкосекундных импульсов; б - картина компрессии цуга импульсов: импульс на выходе световода (штриховые линии), после компрессора (сплошные) [65]

На выходе компрессора получались импульсы длительностью Усиление импульса до пиковой мощности производилось в двухкаскадном усилителе, накачиваемом усиленным и удвоенным по частоте излучением задающего генератора. Использование одного задающего генератора для накачки лазера на красителе и усилителей позволяет избежать технических трудностей, связанных с синхронизацией каскадов усиления, и понизить уровень флуктуаций.

Аналогичный подход к созданию источника мощных перестраиваемых по частоте и длительности субпнкосекундных импульсов реализован авторами [66]. Отличительной особенностью этой установки явилось использование в качестве задающего генератора лазера на монокристалле с пассивной синхронизацией мод и

электронным управлением добротностью резонатора (§ 6.2) Цуг импульсов со средней длительностью после удвоения частоты использовался для синхронной накачки лазера на красителе генерировавшего спектрально-ограниченные импульсы со средней длительностью Эти импульсы сжимались до в волоконно-оптическом компрессоре и поступали на вход двухкаскадного усилителя на красителе. Поперечная накачка этого усилителя производилась эксимерным лазером. Благодаря малой длительности импульса эксимерного лазера не), он играл роль стробирующего устройства, осуществлявшего выделение одиночного импульса из цуга генерации лазера на красителе. Между каскадами усиления помещался насыщающийся поглотитель (этанольный раствор красителя малахитовый зеленый). Энергия усиливаемого импульса достигала что соответствует пиковой мощности

Более серьезные технические проблемы приходится решать при усилении до гигаваттных мощностей импульсов с начальной длительностью в десятки фемтосекунд. Типовая конфигурация экспериментальной установки представлена на рис. 6.21 [67]. В качестве источника накачки используется удвоенное по частоте излучение YAG : Nd3+ лазера, работающего в режиме модуляции добротности не, частота повторения 10 Гц).

Рис. 6.21. Многокаскадный усилитель фемтосекундных импульсов: 1— лазер накачки с усилителем, 2 — удвоитель частоты, 3—6 — кюветы с красителем, 7 — решеточный компрессор; между каскадами усиления расположены пространственные фильтры с насыщающимися поглотителями [67]

Лазерный пучок уширялся до и использовался для поперечной накачки первых трех каскадов усиления. Четвертый каскад накачивался продольно. Энергия накачки распределялась по каскадам следующим образом: 1,5, Коэффициенты усиления, с учетом поглотителей, имели значения 750, 20, 10 и 40. Важными элементами этой схемы являются фильтры пространственных частот, используемые для улучшения пространственной структуры пучка, и насыщающиеся поглотители, которые увеличивают временной контраст усиливаемых импульсов и подавляют спонтанное излучение.

При усилении импульсов лазера на красителе с начальной длительностью и энергией до энергии в (пиковая мощность его длительность увеличивалась до Заметное увеличение длительности связано с дисперсионным расплыванием в растворителе (вода, 20 см) и оптических элементах (кварц, 5 см). Использование решеточного компрессора на выходе системы позволило скомпенсировать дисперсионное расплывание и при выходной мощности

получить спектрально-ограниченные импульсы с длительностью Компрессор состоял из двух параллельных решеток расположенных на расстоянии 5,2 см.

Следующим шагом на пути совершенствования схем усиления фемтосекундных импульсов является разработка усилителей, работающих с высокой частотой повторения Часть удвоенного по частоте излучения задающего генератора, выполненного в виде лазера с активной синхронизацией мод, используется для синхронной накачки лазера на красителе. Дополнительное уменьшение длительности лазера на красителе достигается применением насыщающегося поглотителя и режима сталкивающихся импульсов. Другая часть излучения задающего генератора поступает в регенеративный усилитель на гранате, выполненный по схеме, аналогичной изображенной на рис. 6.22. После 45 двойных проходов усиливаемый импульс выводится из резонатора, он имеет энергию порядка при длительности и частоте повторения После удвоения частоты в кристалле КТР с эффективностью 30% он используется для поперечной накачки усилителя на красителе, состоящего из двух кювет длиной по 1 см. В процессе усиления энергия импульса возрастает от до (коэффициент усиления 104), а длительность — от 85 до Уширение импульса связано с дисперсионным расплыванием и насыщением усиления. В принципе, подобные системы позволяют усиливать до мегаваттных мощностей импульсы длительностью в десятки фемтосекунд при килогерцовой частоте повторения.

Хорошо зарекомендовали себя многопроходные струйные усилители на красителе [69]. Для их накачки используются лазеры на парах меди, генерирующие импульсы накачки длительностью 10—20 не с килогерцовой частотой повторения и средней мощностью порядка В экспериментах по усилению фемтосекундных импульсов лазеров на красителе после шести проходов достигнута энергия (коэффициент усиления 105) при частоте повторения и уровне спонтанной эмиссии, не превышающем [70].

Усилители на стекле с неодимом. Эксперименты по усилению и компрессии импульсов лазера на фосфатном стекле проведены авторами [71]. Выделенный из цуга генерации одиночный импульс испытывал бездисперсионную самомодуляцию в коротком см) отрезке градиентного многомодового световода. Использование многомодового световода со сравнительно большим диаметром сердцевины ( позволило увеличить выходную энергию частотно-модулированного импульса до В усилителе на фосфатном стекле его энергия увеличивалась до после чего он сжимался до Регистрация производилась методом двухфотонной люминесценции с использованием оптического многоканального анализатора. Пиковая мощность импульса с учетом потерь в решеточном компрессоре составила

Перейдем к анализу экспериментов по формированию мощных сверхкоротких импульсов на частоте задающего твердотельного генератора. На рис. 6.22 показана схема экспериментальной установки [72], в состав которой входит квазинепрерывный YAG : Nd3+ лазер

с активной синхронизацией мод, одномодовый волоконный световод (длина 1,4 км, диаметр сердцевины регенеративный усилитель на стекле с неодимом и двухпроходный решеточный компрессор. При самовоздействии в световоде длительность импульса задающего генератора возрастает со 150 до а ширина спектра увеличивается до Частотно-модулированные импульсы инжектируются в регенеративный усилитель на стекле с неодимом. В резонатор усилителя помещена пластинка и ячейка Поккельса, служащая для вывода усиливаемого импульса из резонатора после нескольких десятков проходов.

Рис. 6.22. Схема экспериментальной установки для генерации мощных пикосекундных импульсов: 1 — задающий генератор, выполненный в виде YAG : Nd3+ лазера с активной синхронизацией мод, волоконный световод длиной регенеративный усилитель, 4 — двухпроходный решеточный компрессор; приведены временные распределения интенсивности и частоты в характерных точках схемы [72]

Энергия усиленного импульса с линейной частотной модуляцией достигает Затем он поступает в решеточный компрессор, где сжимается до Несмотря на некоторые искажения огибающей, связанные с насыщением усиления, контраст сжатых импульсов достаточно высок.

По последним сообщениям за счет введения дополнительных каскадов усиления энергию импульса удалось довести до а затем и до [73]. Пиковая мощность такого импульса достигает Авторы [73] отмечают высокую степень пространственной когерентности — диаметр фокального пятна превышает дифракционный предел только в два раза, что позволяет при фокусировке получать интенсивности до

Подчеркнем, что с точки зрения достижения минимальной длительности усиление частотно-модулированного импульса и последующее

сжатие эквивалентно сжатию и последующему усилению — определяющую роль здесь играет ширина полосы усиления. Однако по энергетическим соображениям усиление частотно-модулированного импульса гораздо выгоднее, так как самофокусировка и пробой ограничивают пиковое значение интенсивности в усилителе на уровне Пиковая интенсивность частотно-модулированного импульса на два порядка меньше, чем сжатого, поэтому максимальная энергия, извлеченная из активной среды, значительно возрастает.