CC BY
9МЕТОДИКА GRENOUILLE ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ АМПЛИТУДНО-ФАЗОВЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ИМПУЛЬСОВ С МИНИМАЛЬНОЙ ДЛИТЕЛЬНОСТЬЮ 100 ФС НА ДЛИНЕ ВОЛНЫ 1,9 МКМ
Батов Д.Т. 1*, Воропаев В.С. 1, Актюрк С. 2, Джафари Р. 2, Тарабрин М.К. 1, Требино Р. 2,
Карасик В.Е. 1, Лазарев В.А. 1
1НОЦ «Фотоника и ИК-техника», МГТУ им. Н.Э.Баумана, г. Москва 2 Технологический институт Джорджии, г. Атланта, Джорджия, США * E-mail: daniilbatov@gmail.com DOI 10.24412/2308-6920-2023-6-229-230
Лазерные источники ультракоротких импульсов (УКИ) с излучением в диапазоне длин волн 1,8 - 2 мкм применяются во многих областях науки и техники [1]. При разработке таких источников важнейшим аспектом является детальное описание амплитудно-фазовых характеристик импульса: временной профиль импульса, фаза и пиковая мощность. Волоконные лазерные системы УКИ могут обладать нестабильностью режимов генерации, связанной с флуктуациями температуры, мощности накачки и поляризации излучения в световоде. Поэтому для контроля кратковременных нестабильностей УКИ, важно чтобы система измерения была быстродействующей.
Методика GRENOUILLE, реализующая метод FROG, позволяет измерять амплитудно-фазовые характеристики УКИ с быстродействием матричных приемников излучения порядка 0,1-1 с [2]. Благодаря отсутствию движущихся частей конструкция этой системы проста и не требовательна к юстировке. Также данная система обладает большей чувствительностью по сравнению со стандартным методом FROG из-за большей толщины нелинейного кристалла. В работе [3] был показан потенциал реализации системы GRENOUILLE в диапазоне длин волн 1,8-2 мкм с использованием толстого кристалла прустита Ag3AsS3 для генерации второй гармоники (ГВГ). Ранее нашей группой продемонстрировано измерение с помощью методики GRENOUILLE импульсов волоконного лазера на длине волны 1,9 мкм с длительностью на полувысоте 333 фс (ширина спектра -22 нм) [4], но импульсы на выходе волоконного усилителя с длительностью порядка 100 фс и шириной спектра 40 нм не могли быть измерены предложенной системой из-за низкой чувствительности матричного приемника излучения и ограниченного спектрального диапазона ГВГ. Целью настоящей работы является снижение минимальной измеряемой длительности УКИ и увеличение чувствительности системы GRENOUILLE.
На рис. 1 представлена схема установки. В качестве источника УКИ используется тулиевый полностью волоконный усилитель мощности задающего генератора [5] с максимальной средней мощность усилителя 600 мВт. В зависимости от настроек контроллера поляризации длительность импульса и средняя мощность на входе в GRENOUILLE может изменяться. Минимальная длительность импульса составляет 73 фс, а максимальная 1,3 пс.
Входной импульс
л.
\
Цилиндрическая Бипризма линза Френеля
f = 100 мм а = 160
Кристалл
ГВГ прустит
Цилиндрические Диафрагма Матричным
линзы í, = 50 мм fi = 25 мм
дете ктор
Рис. 1. Схема установки GRENOUILLE для измерения амплитудно-фазовых характеристик
ультракоротких импульсов
Диаметр пучка лазера на входе в установку GRENOUILLE составляет 20,5 мм по уровню 1/e2, а фокусное расстояние цилиндрической линзы, фокусирующей излучение в нелинейный кристалл, 100 мм. В прошлой работе диаметр пучка составлял 10 мм, а фокусное расстояние 150 мм. Таким образом, диапазон измеряемых длительностей был уменьшен за счет увеличения спектрального диапазона ГВГ и увеличения диаметра лазерного пучка на входе в систему. Средняя мощность излучения на входе в GRENOUILLE составляет 13 мВт. Бипризма Френеля с углом при вершине в 160° обеспечивает временную задержку в диапазоне 6 пс. Для формирования изображения
спектрограммы по оси длин волн и оси задержки используются две цилиндрические линзы с фокусными расстояниями 50 и 25 мм, соответственно. Коллинеарная составляющая второй гармоники отсекается щелевой диафрагмой, расположенной на фокусном расстоянии от второй изображающей линзы. Спектрограмма регистрируется КМОП-матрицей с разрядностью АЦП 16 бит и линейной чувствительностью камеры Quantalux CS2100M-USB.
Разработанной системой GRENOUILLE были успешно измерены УКИ с длительностью 94 фс, 110 фс, 120 фс и больше. Результаты измерения УКИ с длительностью 120 фс представлены на рисунке 2, а. На рисунке 2, б показана восстановленная спектрограмма методом RANA [6], разница между измеренной и восстановленной спектрограммой представлена на рисунке 2, в. Одновременно с измерениями спектрограммы методом GRENOUILLE, также была измерена спектрограмма УКИ методом FROG, результаты представлены на рисунке 2, г.
Ошибка восстановления спектрограммы G'[6], составляет 0,15, что является сравнимой с ошибкой восстановления стандартным методом FROG (G' составляет 0,13). Временной профиль и временная фаза импульса, полученные методами GRENOUILLE и FROG, показаны на рисунке 2, д. Спектр импульса и спектральная фаза импульса, также полученные методами GRENOUILLE и FROG, показаны на рисунке 2, е. Также на рисунке 2, е приведены результаты измерения спектра спектрометром OSA207. Расхождения между измеренными и восстановленными спектрами могут быть связаны с тем, что спектрометр измеряет слабый сигнал с длительным временем экспозиции (чего не делают FROG и GRENOUILLE), что добавляет тонкую структуру в измеренный спектр.
-10 1 Задержка, пс
10 1
Задержка, пс
S
0,5
* / = GREN.
-SH* = FROG
^120фс
1
/ ITU Л
S
О.
О Р
го" m го
1 О 1
Задержка, пс
6
0,5
1800 18Ь0 1900 19!э0 JOOO Длина волны,мм
10 1 -10 1 Задержка, пс Время, пс
Рис. 2. Измеренная (а) и восстановленная (б) спектрограммы УКИ методом GRENOUILLE длительностью 120 фс, разница между измеренной и восстановленной спектрограммами (в), измеренная спектрограмма методом FROG (г), временные профили интенсивности и фазы импульса (д), спектральный профиль
интенсивности и фазы импульса (е); синяя и черная кривые относятся к результатам восстановления спектрограммы GRENOUILLE, красная и розовая - к результатам восстановления спектрограммы FROG
Мы также измерили спектрограмму импульса с длительностью 73 фс, определенной по измеренной спектрограмме FROG. Длительность импульса, определенная по восстановлению измерению спектрограммы разработанной системой GRENOUILLE, составила 80 фс. Несоответствие в измерении длительности двумя методами связано с недостаточной эффективностью процесса ГВГ для более широкого спектрального диапазона в текущей установке GRENOUILLE. Решением данной проблемы будет использование цилиндрической линзы, фокусирующей излучение в кристалл, с меньшим фокусным расстоянием. Разработанная система GRENOUILLE позволяет измерять амплитудно-фазовые характеристики УКИ с минимальной длительностью 100 фс.
Литература
1. Rudy C. W., DigonnetM.J.F., Byer R.L., Opt. Fiber Technol. 20, 642-649 (2014)
2. O 'shea P., et al., Opt. Lett. 26, 932-934 (2001)
3. Akturk S., et al, Opt. Express 12(19), 4483-4489 (2004)
4. Власов Д. С. и др., Фотон-экспресс. 6 (174), 134-135 (2021)
5. Voropaev V., et al., Sc. Rep. 11, 23693 (2021)
6. Jafari R., Jones T., Trebino R., Opt. Express 27(3), 2112-2124 (2019)
