527 nm YLF. Tsunami 800 nm

Transkrypt

1 WZMOCNINI

2 pompowanie powodujące inwersje obsadzeń 527 nm YLF Kryształ Ti +3 :Al 2 O 3 absorpcja emisja Tsunami 800 nm Kryształ Ti +3 :Al 2 O 3 550nm 800nm Jeżeli impuls przechodzi przez ośrodek nieliniowy, w którym otrzymywana jest inwersja obsadzeń (przez pompowanie z innego źródła) to impuls przechodząc przez ośrodek wywołuje emisję wymuszoną. W rezultacie wychodzący impuls zostaje wzmocniony.

3 Rozważmy najprostszy układ dwupoziomowy (choć wiadomo, że dla takiego układu nie można doprowadzić do inwersji obsadzeń) m 1) Gdy zaniedbamy pompowanie podczas trwania impulsu wzmacnianego, możemy napisać n dn dt m W W ( N N ) n B mn ρ m N τ m

4 W ρ -prawdopodobieństwo przejścia ze stanu m n w jednostce czasu -gęstość energii na jednostkowy przedział widmowy N Dla układu wielopoziomowego równanie (2) zastąpione zostaje przez wyrażenie: gdzie: γ 1 γ 1 + N 0 0 N m ( N N ) n N + m N m N n m N N N N 2 N dla układu czteropoziomowego 2 dla układu trójpoziomowego g g 1 m N γ + 2N m (2)

5 Podstawiając (2) do (1) otrzymujemy: gdzie: N n N 0 d N N W N + dt γτ γτ jest inwersją obsadzeń (3) dn dt Wn (4) Gdy zaniedbamy fluorescencję, bo czas trwania impulsu jest krótszy od czasu życia na poziomie wzbudzonym. Wzór (4) został wyprowadzony dla układu 2-poziomowego. W ogólności: dn γwn (5) dt

6 Można pokazać, że: W σ I hν Gdzie: I jest natężeniem promieniowania (czyli energią przechodzącą w czasie 1s przez powierzchnię 1m 2 ). Rzeczywiście, W B ρ B W mn mn I ρ c hν Bmn c α σ N mn σ N c hν N σ c hν mn mn N I c α σ c hν σ I hν mn mn (6)

7 Podstawiając (6) do (5) otrzymujemy: dn dt σ I γ hν mn n Wyrażając I za pomocą gęstości fotonów Φ I hν mn c Φ I Φhν mn c otrzymujemy dn dt γ cσ nφ (7)

8 Równanie opisujące wzmocnienie impulsu ( czyli wzrost gęstości fotonów Φ) przybiera postać: x generacja fotonów przez emisje wymuszoną Φ t Φ t Φ t Φ Wm nn c x σ I Φ n c hν x σφchν Φ n c hν x przepływ fotonów z prędkością c (8)

9 Z równań (7) i (8) możemy otrzymać wyrażenie na gęstość fotonów dla x i t Φ(t). Wyrażenie dla Φ(x,t) jest stosunkowo proste tylko przy dodatkowych założeniach dotyczących kształtu impulsu. Zakładamy, że impuls padający jest kwadratowy, o czasie trwania t p Φ 0 t p L Zakładając, że n (inwersja populacji) w całym materiale jest jednakowa dla t0, otrzymujemy rozwiązanie Φ Φ ( x, t) exp ( nx) Φ c t x c 1 σ exp γσ 0 (9)

10 Wzmocnienie uzyskane po przejściu wiązki przez ośrodek wzmacniający o długości xl wyraża się wzorem G ( L, t) 0t p dt Po podstawieniu (9) do (10) otrzymujemy G 1 cγσφ 0 t p Φ Φ (10) { nσl + [ exp( γσφ τ c) 1] e } ln (11) Przekształćmy to równanie korzystając z bezpośrednio mierzonych wielkości cφ t hν (12) in 0 objętość p

11 Parametr nasycenia (saturation fluence) dla laserów impulsowych wyraża się wzorem hν I τ (13) γσ imp t hνn (14) Związek między i st jest następujący hν γσ γg t 0 hνn γnσ (15) gdzie g 0 nσ (16)jest współczynnikiem wzmocnienia małych sygnałów

12 Wprowadzając in i do równania (11) otrzymujemy G ln 1 + exp 1 G in 0 in (17) gdzie G 0 exp(g 0 L) jest wzmocnieniem małych sygnałów po jednokrotnym przejściu przez ośrodek wzmacniający. Wzór (17) jest prawdziwy dla wszystkich sygnałów kwadratowych począwszy od słabych impulsów ( w reżimie small-gain sygnals) do silnych impulsów, wywołujących pełne nasycenie.

13 Dla wysokich energii in / >>1 ( ) L g G L g L g L g G G L g G in in in in in in in in exp ln exp exp 1 ln G L

14 Rozważmy przypadki szczególne 1) ygnał wejściowy in o małym natężeniu wtedy równanie (17) przybiera postać 1 / 1 0 << << in in G ( ) ( ) L n L g G G G G G G G in in in in in in in in σ exp exp exp ln 1 ln ln G L

15 Wzmacniacz PITFIR składa się z trzech bloków: stretcher wzmacniacz kompresor

16 Omówmy najpierw wzmacniacz. Jest to wzmacniacz regeneratywny (oznacza to wielokrotne przejście po tej samej drodze światła w rezonatorze). Tsunami-stretcher Output λ/4 PC1 Input PC2 M1 ośrodek aktywny (Ti +3 :Al 2 O 3 ) P thin layer polarizer M2 Merlin (YLF) 250 ns Q-switch Rys.1

17 Zasada działania wzmacniacza przedstawionego na rys.1 Aby ją zrozumieć przypomnimy następujące zasady optyki 1) Działanie λ/4, λ/2 2) Działanie komórki Pockelsa 3) Działanie polaryzatora odbiciowego (thin layer polarizer) Ad.1 e λ/4 zmienia λ/4+ λ/4 λ/2 polaryzacje liniową na polaryzacje kołową o o oś o e oś e n 0 >n e v 0 <v e kryształ jednoosiowy dodatni

18 -α α oś optyczna Półfalówka zmienia polaryzacje liniową pod kątem α na liniową pod kątem -α względem osi optycznej λ/4+ λ/4 λ/2

19 Rotator Faradaya +półfalówka P1 Rotator Faradaya (Izolator Faradaya) półfalówka zwierciadło P1

20 P1 Rotator Faradaya (Izolator Faradaya) półfalówka zwierciadło P2

21 P1 Rotator Faradaya (Izolator Faradaya) półfalówka zwierciadło P3

22 P1 Rotator Faradaya (Izolator Faradaya) półfalówka zwierciadło P2P4

23 P1 Rotator Faradaya (Izolator Faradaya) półfalówka zwierciadło P5

24 Ad.2) Komórka Pockelsa w zależności od przyłożonego napięcia działa jak λ/4 lub λ/2 wiązka lasera Z oś optyczna V Wiązka lasera jest równoległa do i osi optycznej kryształu

25 x z Po przyłożeniu pola okrąg przekroju elipsoidy staje się elipsą obróconą o 45 y z z x x y y

26 Ma to poważne konsekwencje dla promieni y y z x x przed przyłożeniem pola promienie o polaryzacji x i y mają te same szybkości i nie ma opóźnienia fazowego z po przyłożeniu pola elektrycznego przekrój elipsoidy staje się elipsą obróconą o 45 czyli polaryzacja pierwotna wiązki np.w kierunku y ma dwie składowe, poruszające się z różną prędkością

27 Ad.3) Zasada działania polaryzatora cienkowarstwowego promień padający promień odbity α β promień załamany

28 Zasada działania wzmacniacza: 1) Wiązka z Tsunami (po rozciągnięciu w stretcherze) pada pod katem Brewstera na kryształ. Ma polaryzację horyzontalną (po wyjściu z Tsunami polaryzacja jest wertykalna, ale retroreflektor zmienia polaryzacje na horyzontalna). 2) Komórka Pockelsa PC1 jest jeszcze nie włączona. Wiązka przechodzi dwukrotnie przez λ/4 (padając na M1 i po odbiciu od niego), która działa więc jak λ/2 i zmienia polaryzację na wertykalną, promień nie odbija się więc od kryształu, tylko przechodzi przez niego, a następnie przez cienkowarstwowy polaryzator P, odbija się od M2 (PC2 jest nieaktywna) 3) Jeżeli PC1 jest dalej wyłączona wiązka ponownie przechodzi dwukrotnie przez λ/4 (polaryzacja zmienia się na horyzontalną i zostaje wyrzucona na zewnątrz).

29 4) Jeżeli jednak w momencie powrotu impulsu do PC1, komórka zostaje włączona (jako λ/4), wtedy całkowity efekt przejścia do M1 i odbicia wynosi λ/4+ λ/4+ λ/4 +λ/4 λ Czyli efekt zmiany polaryzacji zostaje zniesiony i impuls nie wydostaje się na zewnątrz i zostaje uwięziony w rezonatorze przechodząc wielokrotnie przez rezonator i ulegając wzmocnieniu(bowiem na kryształ pada jednocześnie światło z lasera pompującego (Merlin:YLF) 5) Gdy uznamy, że impuls został dostatecznie wzmocniony ( 10 6 razy) do komórki Pockelsa PC2 zostaje przyłożone napięcie by zadziałała jak λ/4. Impuls wędruje do M2 i wracając zmienia polaryzację. Zostaje więc wyrzucony na cienkowarstwowy polaryzatorze. 6) Impuls pada na kompresor, ulega skróceniu i wychodzi ze pifire a

30 Kilka szczegółów technicznych: Okres przebiegu impulsu przez rezonator pitfire wynosi 10 ns, zaś kolejne impulsy z Tsunami padają co 12 ns. Jeżeli więc włączenie komórki Pockelsa PC1 spóźni się o 2-3 ns oznacza to, ze w rezonatorze znajdą się 2 impulsy co nie jest efektem pożądanym. Dlatego układ synchronizacji miedzy Tsunami i komórką Pockelsa jest krytycznym elementem, który zapewnia poprawne działanie. YNCHRONIZACJA ynchronizacji dokonuje jednostka dostarczone przez pectra Physics (DG-Positive Light) ygnał z Tsunami generuje sygnał RF ygnał RF uruchamia sygnał z Merlina ygnał z Merlina trigeruje jednostkę DG prze sygnał TTL ze stromego zbocza (TTL positive edge pulse)

31 Tsunami 12 ns pitfire okres przebiegu impulsu przez rezonator wynosi 10 ns Tsunami generuje sygnał RF o częstości 82 MHz 12 ns impuls Tsunami uruchamia Merlina 250 ns Merlin uruchamia komórkę Pockelsa

32 4) Jednostka DG ma niezależne trigery dla PC1 i PC2 z kontrolowanym opóźnieniem między nimi. Opóźnienie jest rzędu 200 ns (czyli około 20 pełnych przebiegów impulsu przez rezonator pitfire) 5) Jednostka DG ma wyjście do trigerowania oscyloskopu na którym kontrolujemy opóźnienie między PC1 i PC2. Jak kontrolujemy za pomocą jednostki synchronizacyjnej i oscyloskopu opóźnienie między PC1 i PC2 1) Gdy sygnał z Tsunami jest zablokowany, a Merlin jest włączony na oscyloskopie obserwujemy obraz impulsu z Merlina o czasie trwania 250 ns

33 2) Gdy odblokujemy Tsunami obraz na oscyloskopie ma postać 10 ns 250 ns Odstęp między pikami wynosi 10 ns, każdy pik oznacza sygnał, który dotarł do oscyloskopu po przebyciu drogi 2L/c 3) Zmieniając opóźnienie między PC1 i PC2 skracamy czas przebywania impulsu w rezonatorze ( zmieniamy ilość przebiegów przez rezonator). Prawidłowe opóźnienia to takie dla których obraz na oscyloskopie ma postać czas opóźnienie miedzy PC1 i PC2 jest tak dobrany by ostatni impuls, który dociera do oscyloskopu był impulsem o maksymalnej intensywności

34 Widok na siatkach dyfrakcyjnych wzmacniacza pitfire wersja femtosekundowa wersja pikosekundowa

35 Zasada działania stretchera i kompresora Zasada przedstawiona na rysunku 2 wykorzystywana jest w stretcherze i kompresorze. stolik obrotowy Tsunami siatki impuls rozciągnięty zakrzywione zwierciadło wzmocniony impuls ze pitfirea wędruje do kompresora

36 n NI WYTĘPUJ GVD WYTĘPUJ FKT GVD λ λ GVD>0 positively chirped (składowe czerwone poruszają się szybciej niż niebieskie) GVD0 GVD<0 negatively chirped W rezonatorze dążymy do GVD0, gdy chcemy puls wydłużyć wręcz przeciwnie, dążymy do zwiększenia GVD

37 Jedna z metod kompresji GVD jest kompresja za pomocą drogi optycznej jaką przechodzi wiązka czerwona i niebieska (wiązka czerwona porusza się szybciej więc musi przejść dłuższą drogę niż wiązka niebieska) Dodatnia GVD Zerowa GVD

38 Gdy chcemy zwiększyć GVD robimy przeciwnie, skracamy drogę wiązki czerwonej, a wydłużamy drogę wiązki niebieskiej zwierciadło siatka dyfrakcyjna siatka dyfrakcyjna do wzmacniacza

39 Wersja pikosekundowa: siatka dyfrakcyjna, soczewka, zwierciadło płaskie Wersja femtosekundowa: siatka dyfrakcyjna, zwierciadło wklęsłe 3 Input z Tsunami Output, rozciągnięty impuls wersja femtosekundowa

40 Wersja pikosekundowa: siatka dyfrakcyjna, soczewka, zwierciadło płaskie (dla uproszczenia załóżmy, że siatka dyfrakcyjna jest siatką szczelinową a nie odbiciową) Input Tsunami output siatka soczewka zwierciadło Zwróćmy uwagę, że zarówno na siatce jak i na soczewce światło niebieskie przechodzi dłuższą drogę, co powoduje wzrost GVD.

41 Narysujmy ugięcie i załamanie soczewka zwierciadło