Badanie dynamiki synchronizacji modów w laserze femtosekundowym Yb:KYW

Transkrypt

1 Badanie dynamiki synchronizacji modów w laserze femtosekundowym Yb:KYW III Pracownia z optyki Michaª D browski Streszczenie Dynamika laserów impulsowych z pasywn synchronizacj modów jest zjawiskiem maªo poznanym, mimo to lasery femtosekundowe s szeroko wykorzystywane w badaniach naukowych. Celem pracy jest rozwini cie bada«nad powstawaniem synchronizacji modów w laserze femtosekundowym Yb:KYW. Zbudowano ukªad laserowy dziaªaj cy w trybie synchronizacji modów, a nast pnie zbadano, jak zjawisko mode-lockingu (ML) zale»y od cz sto±ci pracuj cego w ukªadzie choppera. Gªównym wynikiem jest otrzymanie histogramu dla czasu pojawienia si mode-lockingu w ukªadzie otrzymano wyniki zgodne z zaproponowanym w literaturze modelem teoretycznym. 1 Laser pracuj cy w trybie synchronizacji modów Schemat ukªadu do±wiadczalnego, wykorzystywanego do badania dynamiki lasera femtoekundowego, przedstawia rysunek 1. Laserowa dioda póªprzewodnikowa byªa zasilana pr dem o warto±ci I 0 = 900mA. Detektor to, w zale»no±ci od pomiaru: szybka fotodioda, mierz ca nat»enie ±wiatªa na wyj±ciu z lasera, analizator widma, spektrometr lub miernik mocy. Pomiary opisane w rozdziale 2 przeprowadzono bez u»ycia choppera, w pozostaªych rozdziaªach pracy chopper obracaª si z cz sto±ci okre±lon w poszczególnych do±wiadczeniach. Rysunek 1: Schemat lasera femtosekundowego zbudowanego na krysztale Yb:KYW (X): LD - dioda laserowa ±wiec ca na 980 nm, CL - kolimator ±wiatªowodowy, FL - soczewka skupiaj ca pomp na krysztale, MC1 i MC2 - lustra wkl sªe, przepuszczaj ce pomp, a odbijaj ce ±wiatªo o dªugo±ci fali 1030 nm, SESAM - lustro póªprzewodnikowe/nasycalny absorber, M1, M2 i M3 - lustra z ujemn dyspersj, OC - lustro wyj±ciowe, przepuszczaj ce 8% ±wiatªa, CH - wiatraczek, D - detektor. Rysunek pochodzi z pracy [1]. 1

2 2 Charakterystyka pracy lasera femtosekundowego Rysunek 2 przedstawia widmo zarejestrowane analizatorem widma w trybie synchronizacji modów lasera. Pojawieniu si obserwowanych w widmie impulsów towarzyszyªo ponad dziesi ciokrotne (szeroko± poªówkowa λ = 6nm) poszerzenie widma obserwowanego spektrometrem. U»yta fotodioda byªa zbyt wolna, aby okre±li rzeczywisty czas trwania impulsu. Laser w trybie stabilnej synchronizacji modów pozostawiono na czas trzech godzin, obserwuj c zmian sygnaªu na oscyloskopie. Wynik pomiaru przedstawia rysunek 3 zanik sygnaªu jest prawdopodobnie spowodowany dziaªaniem lustra SESAM. Rysunek 2: Widmo sygnaªu lasera, uzyskane przy u»yciu analizatora widma. Na osi pionowej odwrócona skala logarytmiczna. W celu zniwelowania wpªywu szumów, rejestrowany sygnaª u±redniono po czasie t = 1s. W wykresu mo»na odczyta,»e cz sto± repetycji impulsów wynosiªa 125MHz. Rysunek 3: Poziom sygnaªu na oscyloskopie, zarejestrowanego szybk fotodiod, w zale»no±ci od czasu rozpocz cia przez laser pracy w trybie synchronizacji modów. Pomiar trwaª prawie 3 godziny i byª ograniczony skal podstawy czasu oscyloskopu. W czasie trwania pomiaru laser dwukrotnie przechodziª w tryb pracy ci gªej i ponownie w tryb mode-lockingu. Stopniowy liniowy zanik sygnaªu na fotodiodzie mo»e by spowodowany nasycaniem si lustra SESAM, u»ytego do wytwarzanie pracy impulsowej w ukªadzie laserowym. 2

3 3 Synchronizacja modów w obecno±ci choppera Zmierzono wpªyw cz sto±ci obrotu choppera umieszczonego w ukªadzie z rysunku 1 na dynamik startowania lasera do pracy w trybie synchronizacji modów. Dla ró»nych pr dko±ci k towych wiatraczka mierzono za pomoc oscyloskopu procent przypadków, w których nast puje mode-locking. Zmierzono okoªo 150 przypadków dla ka»dej z cz sto±ci choppera - wyniki przedstawia rysunek 4 (porównaj wyniki w pracy [1]). Dla przypadków, w których zarejestrowano mode-locking, obserwowano czas jego zaniku. Rezultaty dla ró»nych cz sto±ci obrotu choppera przedstawia rysunek 5 - wida,»e wraz ze wzrostem pr dko±ci wiatraczka czas zaniku ML maleje jest to zapewne zwi zane z ilo±ci ±wiatªa, jaka w danej chwili czasu mo»e propagowa si wewn trz wn ki laserowej. Rysunek 4: Procent zarejestrownych przypadków pracy w trybie synchronizacji modów w zale»no±ci od cz sto±ci obrotu choppera. Wida wzrost przypadków pracy w trybie ML dla niskich cz sto±ci a» do 70%, potem stabilizacj na poziomie 40% dla ±rednich cz sto±ci oraz liniowy spadek przypadków dla cz sto±ci powy»ej f 0 = 600Hz. Rysunek 5: Zarejestrowane charakterystyki zaniku mode-lockingu dla kilku cz sto±ci obrotu choppera (od lewej: 20Hz, 200Hz, 1000Hz). Warto zwróci uwag na zmian skali osi poziomej kolejnych wykresów. Wida,»e zanik synchronizacji modów jest szybszy dla wy»szych cz sto±ci obrotu choppera. 3

4 4 Statystyka osi gania stabilnej synchronizacji modów Gªównym wynikiem pracy jest zabranie statystyki 1000 pomiarów czasu, po jakim w laserze femtosekundowym Yb:KYW jest osi gana stabilna synchronizacja modów. Cz sto± choppera ustawiono jako f 0 = 60Hz, co odpowiada pracy lasera w sytuacji, gdy rejestrowany procent przypadków ML jest najwi kszy i wynosi prawie 70%. Podczas pracy ukªadu laserowego z wª czonym wiatraczkiem obserwowano przebieg sygnaªu na oscyloskopie, ustawionym w trybie SINGLE. Trigger byª ustawiony tak, aby narastaj ce zbocze sygnaªu powstaªe po odsªoni ciu wi zki lasera przez chopper wyzwalaªo podstaw czasu oscyloskopu. Dla tak zarejestrowanego przebiegu sygnaªu, za pomoc kursorów pionowych mierzono czas od odsªoni cia wneki przez chopper do pojawienia si stabilnej pracy w trybie synchronizacji modów. Moment ten wybierano arbitralnie, zazwyczaj jako chwil czasu, w której ustawaªy oscylacje zarejestrowanego sygnaªu porównaj rysunki w pracy [1]. Otrzymany w wyniku pomiarów histogram przedstawiaj cy zebran statystyk jest pokazany na rysunku 6. Arbitralnie wybrano podziaª caªego przedziaªu histogramowania na 40 okienek czasowych. Jak sugeruj autorzy pracy [2], otrzymany histogram dla czasów osi gania ML powinien charakteryzowa si wykªadniczym zanikiem. Na rysunku 6 dopasowano do danych krzyw zaniku wykªadniczego dla czasów wi kszych ni» t 0 = 200µs. Rysunek 6: Histogram czasu osi gni cia stabilnej pracy w trybie synchronizacji modów dla cz sto±ci choppera f 0 = 60Hz. Na wykresie zaznaczono tak»e krzyw wykªadniczego zaniku, dopasowan do danych pomiarowych dla czasów t > t 0 = 200µs. Wyniki pomiarów dobrze zgadzaj si z modelem teoretycznym zjawiska mode-lockingu. W celu lepszego zobrazowania otrzymanej zale»no±ci na podstawie histogramu narysowano wykres z punktami pomiarowymi odpowiadaj cymi ±rodkom odpowiednich przedziaªów histogramowania. Rezultat przedstawia rysunek 7, na którym zgodno± wykªadniczego zaniku ze zmierzon statystyk jest lepiej wyeksponowana. Pozostaje pytanie, sk d bierze si wykªadniczy zanik czasu osi gania przez laser stabilnego ML. Autorzy pracy [3] proponuj model, w którym za powstawanie synchronizacji modów jest odpowiedzialny szum kwantowy. Dla niskich energii pompy i du»ego szumu stanem stabilnym termodynamicznie jest praca ci gªa (cw). W miar wzrostu energii obecnej w rezonatorze, wpªyw szumu kwantowego staje si coraz zmienszy i laser zaczyna pracowa w trybie mode-locking (ML). Tryb ten jest tym stabilniejszy, im wi cej modów rezonatora bierze udziaª w procesie synchronizacji modów. Otrzymane w do±wiadczeniu wyniki wydaj si by w zgodzie z modelem [3]. 4

5 5 Rysunek 7: Wykres przedstawiaj cy czas osi gni cia trybu stabilnej synchronizacji modów, wykre±lony na podstawie histogramu. Na rysunku zaznaczono równie» dopasowan do danych pomiarowych krzyw zaniku wykªadniczego, zgodn z modelem teoretycznym. Dopasowanie wykonano dla czasów t > t0 = 200µs. Dla cz sto±ci choppera f0 = 60Hz procent przypadków, gdy laser osi gaª tryb synchronizacji modów, byª najwi kszy i wynosiª okoªo 70%.

6 5 Podsumowanie i wnioski W pracy zmierzono dynamik startu lasera femtosekundowego do pracy w trybie stabilnej synchronizacji modów. Zbudowano ukªad eksperymentalny, korzystaj cy z lustra typu SESAM do wytwarzania pracy impulsowej. Za pomoc umieszczonego wewn trz wn ki laserowej wiatraczka regulowano czas, przez jaki wn ka rezonansowa przepuszczaªa propaguj ce si w niej promieniowanie laserowe. Odwtorzono cz ± wyników zaprezentowanych w pracach [1] oraz [2], w szczególno±ci zbadano, jaki wpªyw na prac w trybie synchronizacji modów ma cz stotliwo± obrotów choppera. Zmierzono,»e czas otwarcia wn ki ma wpªyw na czas zaniku ML im dªu»szy czas otwarcia wn ki, tym dªu»szy jest czas zaniku pracy w trybie synchronizacji modów. Gªównym wynikiem pracy byªo zmierzenie statystyki czasu, po którym w ukªadzie pojawia si samostartuj cy mode-locking. Wedªug pracy [3], proces ten powinien charakteryzowa si wykªadniczym zanikiem dla czasu, po którym obserwuje si synchronizacj modów lasera. Otrzymane wyniki sugeruj,»e zaproponowany w wymienionej pracy model mo»e okaza si porawny. Dotychczas nie udaªo si wyja±ni wszystkich w tpliwo±ci towarzysz cych powstawaniu mode-lockingu w laserach pracuj cych z pasywn synchronizacj modów. By mo»e w toku dalszych bada«uda si uzyska spójny obraz badanego zjawiska i znale¹ teori w prosty sposób tªumacz c zagadkowy proces samostartowania lasera z trybu pracy ci gªej do pracy impulsowej. Literatura [1] Š.Zinkiewicz, Dynamika laserów impulsowych z pasywna synchronizacja modów, praca magisterska [2] H.Li, et al., Starting dynamics of dissipative-soliton ber laser, Opt. Lett. 35, 14 (2010) [3] B.Vodonos, et al., Experimental study of the stochastic nature of the pulsation self-starting process in passive mode locking, Opt. Lett 30, 20 (2005) 6