CC BY
9Б01 10.24412/2308-6920-2021-6-134-135
СИСТЕМА ИЗМЕРЕНИЯ АМПЛИТУДНО-ФАЗОВЫХ ХАРАКТЕРИСТИК УЛЬТРАКОРОТКИХ ИМПУЛЬСОВ НА ДЛИНЕ ВОЛНЫ 1,9 МКМ В РЕЖИМЕ РЕАЛЬНОГО
ВРЕМЕНИ
1 1 1 * 2 2 Власов Д.С. , Волков Д.В. , Воропаев В.С. , Сельчук А. , Джафари Р. , Тарабрин М.К.
Требино Р.2, Лазарев В.А.1
1,3
НОЦ «Фотоника и ИК-техника», МГТУ им. Н. Э. Баумана, ул. 2-я Бауманская, д. 5, стр. 1, г. Москва, 105005
2,
3
Технологический институт Джорджии, Атланта, Джорджия, США, GA 30332
Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН, 119991 ГСП-1 Москва, Ленинский проспект, д. 53
E-mail: vasilii. s. voropaev@gmail. com
Тулиевые лазеры ультракоротких импульсов (УКИ) имеют большой ряд потенциальных применений: волоконная связь, медицина, прецизионная обработка материалов, генерация суперконтинуума и другие [1]. Как и любое устройство, лазер УКИ нуждается в контроле его характеристик, в частности длительности импульсов, их фазы, а также пиковой мощности. Измерение длительности импульсов путём измерения его автокорреляционной функции обладает рядом недостатков, в частности если автокорреляция обладает пьедесталом, то его природа может быть различной, например, это могут быть как небольшие импульсы сопровождающие основной, так и два флуктуирующих во времени импульса сопоставимой амплитуды, в тоже время одной автокорреляционной функции могут соответствовать различные временные формы импульсов, что не позволяет точно определить пиковую мощность импульса и его длительность [2].
Метод частотно-разрешённого оптического стробирования (FROG) позволяет измерить амплитудно-фазовые характеристики импульсов путём измерения спектрограммы импульсов, которая по сути является спектрально-разрешенной автокорреляционной функцией, и последующим математическим восстановлением амплитудно-фазовых характеристик [2]. При этом если последовательность импульсов имеет признаки нестабильности, в том числе флуктуации двух импульсов, то по большой ошибке, полученной в результате восстановления спектрограммы, можно будет судить о флуктуациях. К сожалению, коммерчески доступные системы измерения, основанные на методе FROG, для диапазона длин волн около 1,9 мкм трудно доступны. Поэтому целью данной работы является реализация метода FROG для измерения амплитудно-фазовых характеристик ультракоротких импульсов на длине волны 1,9 мкм в реальном времени.
В данной работе реализуется методика GRENOUILLE [3]. Достоинствами данной методики являются: отсутствие подвижных частей, простота конструкции, возможность регистрировать спектрограммы одиночных импульсов. Основным недостатком системы является ограничение минимальной измеряемой длительности импульсов. В работе [3] показано, что методика GRENOUILLE может быть реализована на длинах волн вплоть до 2 мкм с использованием в качестве нелинейной среды для генерации второй гармоники кристалла прустита (Ag3AsS3), однако экспериментальных работ по измерению ультракоротких импульсов в данном спектральном диапазоне нет.
Схема установки, реализующей методику GRENOUILLE, показана на рисунке 1. В качестве источника УКИ используется тулиевый полностью волоконный лазер с гибридной синхронизацией мод на длине волны 1,9 мкм [4] со средней мощностью около 6 мВт и частотой повторения импульсов 23,8 МГц. Диаметр коллимированного пучка лазера уширяется до значения 10 мм с помощью пары вогнутых зеркал с фокусными расстояниями 100 и 500 мм. Далее излучение попадает на цилиндрическую линзу с фокусным расстоянием 150 мм, которая фокусирует излучение в кристалл прустита (поперечные размеры кристалла 10x5 мм, толщина - 3,5 мм) для генерации второй гармоники. Выбранная толщина кристалла позволяет исследовать импульсы с длительностью в диапазоне от 70 фс до 3 пс на длине волны 1,9 мкм [3]. Бипризма Френеля используется для реализации в спектрограмме временной задержки, угол при вершине равен 160° и обеспечивает временную задержку в диапазоне «±1,5 пс при диаметре пучка 10 мм. Две цилиндрические линзы с фокусными расстояниями 50 и 25 мм формируют изображение спектрограммы по оси длин волн и по оси задержке, соответственно. В фокусе второй линзы располагается диафрагма (не показана на
134 №6 2021 СПЕЦВЫПУСК «ФОТОН-ЭКСПРЕСС-НАУКА 2021» www.fotonexpres.rufotonexpress@mail.ru
рисунке), отсекающая коллинеарную составляющую второй гармоники. Спектрограмма регистрируется с помощью кремниевой ПЗС-матрицы SONY ICX429ALL.
На рисунке 2,а представлена измеренная спектрограмма импульсов, на рисунке 2,б показана восстановленная спектрограмма методом RANA [5], разница между двумя спектрограммами показана на рис.2,в. Ошибка восстановленной спектрограммы является не значительной и может быть вызвана аберрациями оптической системы, флуктуациями импульса лазера, а также нелинейной чувствительностью матрицы. Временной профиль интенсивности и фазы импульса показаны на рисунке 2, г. Длительность импульса на полувысоте составляет 333 фс. На краях импульса находятся два небольших по амплитуде максимума. Сравнение спектра и автокорреляции измеренного импульса с помощью методики GRENOUILLE и с помощью спектрометра и автокоррелятора показано на рисунках 2, д,е.
ВмодилН дмцупьс
Цилиндрическая Бппртма
ЛИНЧ1 Г = ! 50 мм Френеля 160'
О >
J
ГШ"
1.1 Шопряжяющнс
Шипшдричеяше
(Прустит) ,ии1Ы Г=чо мм f.=25 мм
Рис. 3 Схема установки GRENOUILLE для измерения амплитудно-фазовых характеристик
ультракоротких импульсов
Издержки. ПС
В)
Л / \
\ / \
г
3i ЛС
'1 \ -iTI '-.P.rvrji'll 1.П
JlX
\
1 ^0,5 0 0,5 Задержка, пс
1880 1900 1920 Длина волны, нм
г) Д| е)
Рис. 4 Измеренная (а) и восстановленная (б) спектрограммы импульсов, разница между измеренной и восстановленной спектрограммами (в), временной профиль интенсивности и фазы импульса (г), сравнение спектров и автокорреляции восстановленного импульса с помощью методики GRENOUILLE (красные кривые), спектрометра и автокоррелятора (синие)
Разработанная система способна измерять импульсы в спектральном диапазоне от 1 до 2 мкм, но диапазон измеряемых длительностей будет отличаться [3].
Воронец А.И. благодарит за помощь, оказанную фондом поддержки молодых ученых имени Геннадия Комиссарова.
Литература
1. Rudy C. W, DigonnetM.J.F., Byer R.L., Opt. Fiber Technol. 20, 642-649 (2014)
2. Trebino R. et al. J Appl Phys 128, 171103 (2020)
3. Akturk S., KimmelM., Trebino R., Opt. Express 12(19), 4483-4489 (2004)
4. Donodin A. et al., Sci. Rep 10, 1-9 (2020)
5. Jafari R., Jones T., Trebino R., Opt. Express 27(3), 2112-2124 (2019)
№6 2021 СПЕЦВЫПУСК «ФОТОН-ЭКСПРЕСС-НАУКА 2021» www.fotonexpres.rufotonexpress@mail.ru
135
