CC BY
79
УДК 621.373.826
СИСТЕМА РЕГЕНЕРАТИВНОГО УСИЛЕНИЯ ФЕМТОСЕКУНДНЫХ ЛАЗЕРНЫХ ИМПУЛЬСОВ НА ОСНОВЕ КРИСТАЛЛА Yb3+:KGd(WO4)2
С ДИОДНОЙ НАКАЧКОЙ
Руденков А.С., Кисель В.Э., Гулевич А.Е., Кулешов Н.В.
НИЦ Оптических материалов и технологий БНТУ, г. Минск, Республика Беларусь
Представлена система регенеративного усиления фемтосекундных лазерных импульсов, позволяющая получать лазерные импульсы с пиковой мощностью >1 ГВт и длительностью около 330 фс при частоте следования 1-10 кГц. Данная система предназначена для использования в спектроскопии методом возбуждения-зондирования с высоким временным разрешением, а также других приложениях, требующих высокой пиковой мощности и частоты повторения импульсов, в частности для накачки оптических параметрических генераторов света с целью получения фемтосекундных импульсов в ИК-области спектра. (E-mail: Alex_Electron@bk.ru)
Ключевые слова: регенеративный усилитель, фемтосекундные импульсы, диодная накачка, усиление чирпированных импульсов.
Введение
В последние десятилетия наблюдается значительный прогресс в области лазеров ультракоротких импульсов. Фемтосекундные лазеры становятся более компактными, надежными и коммерчески доступными. Перечень применений ультракоротких импульсов быстро расширяется и требования, предъявляемые к современным лазерным системам, становятся более высокими. Большинство современных лазерных систем, используемых для спектроскопии высокого временного разрешения методом возбуждения-зондирования, используют усиление чирпированных импульсов [1]. Это позволяет увеличить энергию ультракоротких импульсов (УКИ) с наноджоуле-вого уровня до микро- и миллиджоулевого диапазона. Для увеличения скорости накопления результатов требуются частоты повторения импульсов более 1 кГц, что легко реализуется в системах усиления УКИ на иттербий-содержащих материалах [2]. Материалы, легированные ионами Yb3+, обладают интенсивными полосами поглощения в области 980 нм и широкими полосами усиления, что необходимо для получения импульсов фемтосекундной длительности. В качестве источников накачки используются коммерчески доступные 1пОаЛ8 лазерные диоды, имеющие большой диапазон выходных мощностей (до
нескольких кВт) в непрерывном режиме. Структура энергетических уровней иона УЬ3+ исключает потери, связанные с поглощением из возбужденного состояния, ап-конверсией, концентрационным тушением люминесценции [3]. Низкий квантовый дефект (разность энергий квантов накачки и генерации) обеспечивает низкое тепловыделение в активном элементе (длина волны накачки 980 нм, генерации - 1020-1050 нм).
Целью данной работы было создание компактной системы регенеративного усиления ультракоротких лазерных импульсов с высокими частотами следования (до 10 кГц), высокой энергией импульсов (до 360 мкДж), малой длительностью импульсов (около 330 фс), использующей в качестве источников накачки коммерчески доступные, экономичные InGaAs лазерные диоды.
Система регенеративного усиления
В данной работе детально рассмотрены экспериментальные результаты разработки системы регенеративного усиления фемтосекундных лазерных импульсов на кристалле УЬ3+:К0<1^04)2 (УЬ:КО'^ с накачкой InGaAs лазерными диодами в области 980 нм. Схема разработанной системы усиления УКИ представлена на рисунке 1.
Цуг УКИ из задающего генератора 1 попадает в селектор импульсов 3, который снижает ча-
стоту следования импульсов. Для предотвращения обратного отражения излучения в задающий генератор, в схеме предусмотрен изолятор 2, основанный на эффекте Фарадея. Растяжение селектированного импульса во времени осуществляется в стретчере 4. Затем растянутый во времени импульс попадает в усилитель 6. Развязка входного и выходного импульсов осуществляет-
ся изолятором Фарадея 5. Сокращение длительности усиленного импульса осуществляется в компрессоре лазерных импульсов 7. Рассмотрим детально параметры отдельных узлов системы. В качестве источника УКИ используется Yb3+:KY(WO4)2 (УЬ:КУЖ) лазер с пассивной синхронизацией мод. Выходные параметры лазера представлены в таблице 1.
Рисунок 1 - Схема регенеративного усилителя: 1 - задающий лазер; 2, 5 - изоляторы Фарадея; 3 - селектор импульсов; 4 - стретчер; 6 - усилитель; 7 - компрессор; 8 - измерительное оборудование
Таблица 1
Характеристики выходного излучения Yb:KYW лазера
Энергия импульса, нДж Длительность импульса, фс Частота следования импульсов, МГц Средняя выходная мощность, Вт М2 Спектральная ширина импульса, нм ДиДт
>15 <150 70 >1 <1,1 >8 «0,32
Автокорреляционная функция и спектр УКИ УЬ:КУЖ лазера представлены на рисунках 2 и 3 соответственно. Лазер обеспечивает близкие к спектрально-ограниченным импульсы (ДиДт ~ 0,32).
Для снижения частоты следования импульсов перед усилением используется селектор импульсов на основе ячейки Поккельса на
кристалле ВВО, установленной по схеме четвертьволновой пластинки. Частота селектированных импульсов может изменяться от 1 до 10 кГц. Контраст селектора импульсов составил более 103.
Для снижения пиковой мощности УКИ перед усилением использовался стретчер на основе дифракционных решеток, собранный по схе-
ме Мартинеса [4]. В схеме использовалась дифракционная решетка 1800 штр/мм. Габаритные размеры стретчера не превышали 200^100 мм2 при коэффициенте растяжения около 103. Расчетная длительность импульса определялась по выражению [5]:
4 (/ - .г)
2
т X
2 2 сё 008
где f - фокусное расстояние линзы, м; х - расстояние между линзой и решеткой, м; т - порядок дифракции; X - длина волны, м; с - скорость света, м/с; ё - период дифракционной решетки, м; 9 - угол дифракции для центральной длины вол-
ны, рад; АХ - ширина спектра импульса на полувысоте, м.
Измеренная длительность импульса после стретчера составила 150 пс, что находится в хорошем согласовании с расчетным значением 155 пс. Автокорреляционная функция растянутого импульса представлена на рисунке 4.
На рисунке 5 представлена схема резонатора усилителя. В качестве активной среды использовался кристалл Yb:KGW толщиной 5 мм. Для продольной накачки активного элемента применялся лазерный InGaAs диод мощностью 25 Вт с волоконным выходом, диаметр волокна 100 мкм. Для получения максимального усиления реализовано до 65 проходов излучения по резонатору.
Рисунок 2 - Автокорреляционная функция усиливае- Рисунок 3 - Спектр усиливаемого импульса
мого импульса
Рисунок 4 - Автокорреляционная функция растянутого импульса
Рисунок 5 - Схема резонатора усилителя
Рисунок 6 демонстрирует изменение энергии усиливаемого импульса в резонаторе в зависимости от числа обходов по резонатору.
Рисунок 6 - Энергия импульса в резонаторе усилителя (1) и результирующий импульс на выходе усилителя (2)
После усиления лазерный импульс сжимался в компрессоре. Компрессор собран по схеме Мартинеса с двумя дифракционными решетками 1800 штр/мм. На рисунке 7 показана автокорреляционная функция усиленного импульса. Длительность сжатого импульса составила около 330 фс. Зависимость энергии импульса и средней выходной мощности от частоты следования показана на рисунке 8.
Рисунок 7 - Автокорреляционная функция усиленного импульса
Рисунок 8 - Зависимость энергии импульса (1) и средней выходной мощности (2) от частоты следования
Средняя выходная мощность при частоте следования импульсов 10кГц составила более 2Вт. Пространственный профиль выходного излучения был близок к дифракционно-ограниченному с параметром качества M2 < 1,1.
Заключение
Разработанная система усиления позволяет получать импульсы фемтосекундной длительности с энергией до 360 мкДж при частоте следования 1-10 кГц. При длительности импульса около 330 фс максимальная пиковая мощность достигала более 1 ГВт. Система может использоваться для спектроскопии быстропротекаю-щих оптических процессов с высоким временным разрешением методом возбуждения-зондирования, а также для накачки оптических параметрических генераторов и усилителей света для получения фемтосекундных импульсов в ИК-области спектра.
Список использованных источников
1. Strickland, D. Compression of amplified chirped optical pulses / D. Strickland, G. Mourou // Opt. Comm. - 1985. - Vol. 56, № 3. - P. 219-221.
2. Delaigue, M. 300 kHz femtosecond Yb:KGW regenerative amplifier / M. Delaigue [et al.] // CLEO, Technical Digest. - 2006. - paper CWN3.
3. DeLoach, L.D. Evaluation of absorption and emission properties of Yb3+ doped crystals for laser applications / DeLoach L.D. [et al.] // IEEE Journal of Q. Electron. - 1993. - Vol. 29, № 4. -P. 1179-1191.
4. Martinez, O.E. Negative group-velocity dispersion using refraction / O.E. Martinez [et al.] // J. Opt. Soc. Am. A - 1984. - Vol. 10. - P. 1003.
5. Ruiz de la Cruz, A. Multi-pass confocal ultrashort pulse amplifier / A. Ruiz de la Cruz, R. Rangel-Rojo // Revista Mexicana de Física - 2005. - Vol. 51. - P. 488-493.
Rudenkov A.S., Kisel V.E., Gulevich A.E., Kuleshov N.V.
Diode pumped Yb3+:KGd(WO4)2 regenerative amplification system of femtosecond laser pulses
The regenerative amplification system of femtosecond laser pulses, delivering a laser pulses with peak power more then 1 GW and duration <330 fs at repetition rates 1-10 kHz is presented. This system is applicable in pump-probe spectroscopy with high temporal resolution, as well as for pumping of optical parametric oscillators for generation of infrared femtosecond pulses. (E-mail: Alex_Electron@bk.ru)
Key words: regenerative amplifier, femtosecond pulses, diode pumping, chirped pulse amplification.
Поступила в редакцию 01.08.2012.
