OTRZYMYWANIE KRÓTKICH IMPULSÓW LASEROWYCH

Transkrypt

1 OTRZYMYWANIE KRÓTKICH IMPULSÓW LASEROWYCH Impulsowe lasery na ciele stałym są najbardziej ważnymi i szeroko rozpowszechnionymi systemami laserowymi. Np laser Nd:YAG jest najczęściej stosowany do znakowania, cięcia, wiercenia, określania odległości oaz operacji siatkówki. Dla wielu tych zastosowań im krótsze impulsy tym lepiej. Krótkie intensywne impulsy pozwalają np. szybko odparować materiał bez ogrzania (i potencjalnych zmian) materiału lub tkanki w otoczeniu miejsca obróbki. Krótkie impulsy światła są również niezbędne przy badaniu szybkich procesów w fizyce i chemii. Ogólnie im szybszy jest dany proces tym krótsze muszą być stosowane impulsy świetlne. Generacja impulsów laserowych poprzez przełączanie dobroci rezonatora (Q-swiching) Dobroć Q wielkość charakteryzująca ilościowo układ rezonansowy. Określa, ile razy amplituda wymuszonych drgań rezonansowych jest większa niż analogiczna amplituda w obszarze częstości nierezonansowych. Q energia zgromadzona w oscylatorze = π energia tracona w jednym cyklu drgań Otrzymywanie krótkich impulsów laserowych 1

2 Generacja impulsów laserowych poprzez przełączanie dobroci rezonatora, cd. W metodzie przełączania dobroci energia jest magazynowana we wnęce optycznej tak długo, jak długo przełącznik dobroci, Q-switch, określa stan niskiej dobroci rezonatora. Bezpośrednio po przełączeniu do stanu wysokiej dobroci cała energia jest uwalniana w postaci pojedynczego impulsu. Dopóki zmagazynowana energia jest poniżej wartości energii odpowiadającej akcji laserowej, akcja laserowa nie zachodzi. Przed przełączeniem dobroci wzmocnienie we wnęce jest silne, ale duże są także straty i w związku z tym brak akcji laserowej. Przebieg generacji impulsu metodą przełączania dobroci: a) pompowanie, b) Q-switching, c) przechowywanie energii w zależności od czasu, d) generacja impulsu. Otrzymywanie krótkich impulsów laserowych

3 Generacja impulsów laserowych poprzez przełączanie dobroci rezonatora, cd. Aktywne przełączanie dobroci Rolę przełącznika może pełnić tu zewnętrznie sterowane urządzenie, takie jak przysłona, obracające się zwierciadło, pryzmat, wirujące koło z otworami, a także urządzenia akustooptyczne i elektrooptyczne Pasywne przełączanie dobroci W tym przypadku rolę przełącznika odgrywa nasycalny absorbent. Nasycalny absorbent zaczyna blaknąć, kiedy natężenie promieniowania w laserze zaczyna wzrastać w wyniku emisji spontanicznej. Powoduje to dalszy wzrost natężenia promieniowania w laserze, a to z kolei powoduje jeszcze większe blaknięcie absorbenta itd. Jeśli natężenie nasycenia jest względnie małe, to wielkość inwersji bezpośrednio po przełączeniu dobroci prawie nie różni się od inwersji początkowej. Dlatego po przełączeniu laser ma wzmocnienie, które znacznie przekracza straty, co prowadzi do emisji impulsu światła o wysokiej energii. Typowa częstość repetycji laserów na ciele stałym zawiera się w przedziale od 1 Hz do kilku MHz. Wytwarzane impulsy są rzędu nanosekund i mogą mieć ekstremalnie duże moce szczytowe, rzędu gigawatów. Otrzymywanie krótkich impulsów laserowych 3

4 Otrzymywanie krótkich impulsów w laserach z synchronizacją modów Synchronizacja modów jest podstawową metodą otrzymywania impulsów krótszych od jednej nanosekundy. W porównaniu do metody przełączania dobroci impulsy otrzymywane tą metodą są znacząco krótsze, mają dużo większą częstość repetycji i mają znacząco mniejszą moc. Czynna synchronizacja modów Polega na umieszczeniu w rezonatorze lasera modulatora światła (np. komórki Pockelsa) i dostrojeniu częstości modulacji do odległości międzymodowej, f = ν = c/ ( d). Modulacja natężenia przy użyciu komórki Pockelsa. Otrzymywanie krótkich impulsów laserowych 4

5 Czynna synchronizacja modów, cd. Aktywne sprzężenie modów metodą modulacji natężenia światła we wnęce laserowej wskutek dyfrakcji na stojącej fali ultradźwiękowej. Pasma boczne są sprzężone fazowo, a więc mody oscylującego lasera są również sprzężone. W konsekwencji laser emituje ciąg impulsów odległych od siebie o T = 1/ ν = 1/ f. Otrzymywanie krótkich impulsów laserowych 5

6 Synchronizacja modów - opis teoretyczny w przypadku modulacji amplitudy Załóżmy, że transmisja T modulatora zmienia się sinusoidalnie 1+ δ cos( Ωt) T = Ω= π f, δ - głębokość modulacji. Częstość modulacji f równa się częstości międzymodowej Pole elektryczne m-tego modu E t TE t E [ t ] t ν. 0m m( ) = 0mcos( ωm ) = 1+ δ cos( Ω ) cos( ωm ) E0m E0m Em( t) = cos( ωmt) + δ cos ( ωm +Ω ) t + cos ( ωm Ω ) t 4 { [ ] [ ]} Fazy pasm bocznych określone są przez fazę częstości podstawowej i fazę modulacji. Wszystkie trzy fale są zgodne w fazie w chwilach tn π = n, n = 0,1,,3... Ω Modulacja fal bocznych powoduje powstanie nowych pasm bocznych dla ω ω0 = ± Ω itd. Wypadkowa fala jest superpozycją wszystkich sprzężonych fazowo modów zawartych w zakresie częstości δν. + p m [ ω0 ], p 1 Et ( ) = A cos ( + mω) t m= p δν + = ν Otrzymywanie krótkich impulsów laserowych 6

7 Synchronizacja modów - opis teoretyczny w przypadku modulacji amplitudy, cd. + p m 0, 1 m= p Otrzymaliśmy: Et ( ) = A cos [( ω + mω) t] p+ N = δν ν N - liczba wszystkich modów podłużnych. Przy założeniu A p = A p+ 1 =... = Ap = A0 całkowite natężenie światła laserowego przybiera postać It () A [ N Ω t] [ Ω t] sin ( / ) 0 sin ( / ) Maksima, gdy [ t] sin ( Ω / ) = 0 ( Ω / ) t n = nπ tn = n π / Ω= n/ f Impulsy powstają w odstępach czasu t t t 1 d 1 f c n = n+ 1 n = = = Widmo lasera, w którym ulega sprzężeniu 5 albo 41 modów podłużnych. Otrzymywanie krótkich impulsów laserowych 7

8 Synchronizacja modów - szerokość impulsu Za miarę szerokości impulsu, δ t, można przyjąć odległość najbliższego minimum od danego głównego maksimum. It () [ N Ω t] [ Ω t] sin ( / ) 0 A Główne maksimum: ( Ω / ) t0 = 0 sin ( / ) N( Ω / ) δt = π N( Ω / )( t + δt) = π Najbliższe minimum: 0 1π 1 1 δt = = = N Ω N ν δν Przestrzenna odległość i szerokość impulsów c z = c t = = d ν dz c = cdt = = N ν d N Otrzymywanie krótkich impulsów laserowych 8

9 Synchronizacja modów - szerokość impulsu Jeśli fazy poszczególnych modów są przypadkowe, natężenie światła jest wynikiem przypadkowego zdudnienia p + 1 równoodległych częstości ω n. Wpływ synchronizacji modów na czasową zależność natężenia światła emitowanego przez laser. Przedstawione są wyniki symulacji numerycznych dla lasera działającego na 100 modach o jednakowych amplitudach. Jeśli fazy modów są wybrane losowo (a), natężenie światła ma charakter szumu, natomiast w sytuacji, gdy wszystkie fazy są równe zeru (b), laser emituje ciąg impulsów. T jest czasem obiegu światła w rezonatorze. W obu przypadkach moc średnia lasera jest taka sama, jednakże moc szczytowa w przypadku (b) jest znacznie większa niż w przypadku (a). Otrzymywanie krótkich impulsów laserowych 9

10 Zaleta aktywnej synchronizacji modów Wszechstronność. Przetworniki akusto- i elektrooptyczne mogą działać w szerokim zakresie widmowym. Wady aktywnej synchronizacji modów Ograniczenia na minimalny czas trwania impulsu. Najkrótsze możliwe impulsy są rzędu pikosekund, Duża wrażliwość na dostrojenie częstości modulacji Ω do długości lasera, Duże koszty układów stabilizujących długość wnęki rezonansowej, Duże koszty układów elektronicznych sterujących przetwornikami. Bierna synchronizacja modów za pomocą nieliniowego absorbenta Polega na wywoływaniu nasycenia w komórce z absorbentem wstawionej do rezonatora lasera. Współczynnik absorpcji w takiej komórce maleje wraz z natężeniem promieniowania I0I α s 0 I α = α I / Is Is +, I s - natężenie nasycenia. Otrzymywanie krótkich impulsów laserowych 10

11 Bierna synchronizacja modów za pomocą nieliniowego absorbenta, cd. Załóżmy, że wzbudzone są dwa mody laserowe. Całkowite pole elektryczne w rezonatorze E( zt, ) = Esin( kz)sin( ωt+ ϕ ) + E sin( kz)sin( ω t+ ϕ ) Stąd natężenie światła w rezonatorze jest równe I(,) zt c Ezt (,) = ε 0 = { = cε E sin ( k z)sin ( ωt+ ϕ ) + E sin ( k z)sin ( ω t+ ϕ ) [ ω ω ϕ ϕ ] [ ω ω ϕ ϕ ] } + EE sin( kz)sin( k z) cos ( ) t+ cos ( + ) t W powyższym wyrażeniu składniki zależne od ω 1, ω i ω1+ ω zmieniają z częstością terahercową, zaś składnik zależny od ω1 ω zmienia się z częstością międzymodową (rzędu 1 GHz). W odniesieniu do wysokich częstości zmiany absorpcji absorbenta są zbyt powolne, stąd absorbent odczuwa działanie średniego natężenia światła cε = { [ ω1 ω ϕ1 ϕ] } 0 I( zt, ) E sin ( kz) E sin ( kz) EE sin( kz)sin( kz)cos ( ) t Otrzymywanie krótkich impulsów laserowych 11

12 Bierna synchronizacja modów za pomocą nieliniowego absorbenta, cd. Uśredniony po czasie współczynnik absorpcji α oscyluje z częstością różnicową ω1 ω równą różnicy częstości kolejnych modów. Amplitudy wzbudzonych modów są modulowane z częstością różnicową, co spełnia warunek synchronizacji modów. Metoda ta najlepiej nadaje się do laserów o dużych mocach szczytowych, jak laser neodymowy lub rubinowy. Synchronizacja modów za pomocą nieliniowego absorbenta NL Wada synchronizacji modów za pomocą nieliniowego absorbenta Trudność znalezienia dobrych nasycalnych absorbentów dla długości fal różnych laserów. Zakres stosowania tej metody jest efektywnie ograniczony do obszaru widmowego, w którym działają nasycalne barwniki organiczne. Otrzymywanie krótkich impulsów laserowych 1

13 Pasywna synchronizacja modów przy wykorzystaniu soczewki Kerra Jest to metoda uznawana obecnie za najlepszy sposób synchronizacji modów. Wykorzystuje zależność współczynnika załamania światła od natężenia światła. Samoogniskowanie światła w ośrodku o nieliniowym współczynniku załamania (a) i idea metody synchronizacji modów opartej na efekcie soczewki Kerra (b). Na rysunku (b) linią ciągłą oznaczony jest kształt wiązki o dużym natężeniu, a linią przerywaną oznaczony jest kształt wiązki o małym natężeniu. Otrzymywanie krótkich impulsów laserowych 13

14 Zalety tej metody Można ją stosować w szerokim zakresie widmowym, Duża szybkość działania (czas relaksacji zjawiska Kerra jest mniejszy od 1 fs.) Można wytwarzać impulsy krótsze niż 10 fs. Selekcja impulsów Polega na zastosowaniu selektora impulsów (ang. cavity dumper). Układ selektora impulsów. Impulsy o czasie trwania 0,6 - ns i repetycji 1 Hz do 4 MHz. Otrzymywanie krótkich impulsów laserowych 14

15 Przykład pikosekundowego źródła światła Pikosekundowe źródła światła do pomiarów spektroskopowych. Pompowanie lasera barwnikowego odbywa się za pomocą lasera argonowego albo lasera Nd:YAG. Otrzymywanie krótkich impulsów laserowych 15