УСТРОЙСТВО СЖАТИЯ ОПТИЧЕСКОГО ИМПУЛЬСА НА ДИФРАКЦИОННЫХ РЕШЕТКАХ С ВОЗМОЖНОСТЬЮ РЕГУЛИРОВКИ ДЛИТЕЛЬНОСТИ СЖАТОГО ИМПУЛЬСА
APPARATUS FOR COMPRESSING OPTICAL IMPULSE ON DIFFRACTION PLATES WITH POSSIBILITY OF CONTROL OF COMPRESSED IMPULSE DURATION

Изобретение относится к области квантовой электроники, а именно к лазерной технике, и может быть использовано для сжатия полученного в технике синхронизации мод оптического лазерного импульса, с целью уменьшения его длительности и повышения пиковой мощности. Устройство может быть использовано также для исследования сжимаемости импульса и поиска минимальной длительности импульса.
В настоящее время практически во всех лазерных системах, генерирующих импульсы большой мощности, используется метод CPA (chirped-pulse amplification), усиления растянутых до нескольких наносекунд ультракоротких импульсов и последующего их сжатия до исходной длительности [Strickland D., Mourou G. Opt. Commun., 56, 219 (1985)]. В традиционных CPA-системах с прямым усилением, а также в системах, основанных на параметрическом усилении чирпированных импульсов ОРСРА (optical parametric CPA) [Dubietis A., Butkus R., Piskarskas A.P. IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron., 12, 163 (2006)], для сжатия чирпированного лазерного импульса применяются лазерные компрессоры на одной паре параллельных дифракционных решеток [Treacy Edmond В. IEEE J. Quantum Electron., 5, 454 (1969)], обеспечивающие отрицательную дисперсию групповой скорости (длинные волны задерживаются относительно коротких). Известна оптическая система лазерного компрессора на одной паре параллельных дифракционных решеток [Treacy Edmond В., «Optical Pulse Compression With Diffraction Gratings», IEEE Journal of Quantum Electronics, vol. 5, pp. 454, 1969]. В данной системе для осуществления компрессии импульса светового излучения используется пара параллельных дифракционных решеток, стоящих под углом к лазерному пучку. Угол падения на первую дифракционную решетку относительно нормали выбирается вблизи (~±10°) угла Литрова дифракционной решетки, чтобы обеспечить высокий коэффициент отражения ≈92-95%. Для лазерного излучения с центральной длиной волны 1053 нм угол падения на первую дифракционную решетку составляет ≈55-75°. Использование такой оптической схемы для достижения требуемой групповой дисперсии приводит к необходимости увеличения размеров дифракционных решеток, что технологически осложнено.
Из патента US 7684450 В2 (МПК: H01S 3/08, H01S 3/10; 23.03.2010) известен выбранный в качестве прототипа регулируемый компрессор на дифракционных решетках источника лазерных импульсов. Как следует из описания этого компрессора, он содержит первую, вторую дифракционные решетки и зеркало. Вторая решетка расположена на подвижной платформе, выполненной с возможностью перемещения второй решетки в направлении, перпендикулярном к плоскости зеркала. Оптический путь лазерного излучения проходит между первой и второй решетками и зеркалом. Лазерный луч, принятый через входной сигнал в компрессор, падает на первую решетку, дифрагирует от нее и затем направляется во вторую решетку, затем дифрагирует от второй решетки к зеркалу. Затем луч отражается от зеркала и возвращается обратно ко второй решетке и дифрагирует от нее до первой решетки. Затем луч дифрагирует от первой решетки обратно через вход компрессора. Вторая решетка расположена на подвижной платформе, выполненной с возможностью перемещения второй решетки в направлении, перпендикулярном к плоскости зеркала. Управление перемещением подвижной платформы со второй решеткой осуществляется контроллером. Управляемым перемещением второй решетки обеспечивается изменение длины оптического пути луча лазера в компрессоре, и, тем самым, управляемое изменение (регулирование) дисперсии групповой скорости компрессора. В данном техническом решении изменение дисперсии может быть осуществлено также за счет управляемого перемещения первой решетки, первой и второй решеток одновременно, а также перемещением зеркала. Как отмечено в описании этого компрессора, количество решеток может быть больше двух.
Основным недостатком данного устройства является ограниченный диапазон регулировки дисперсии устройства, т.к. использование такой оптической схемы для достижения возможно большего расширения диапазона изменения дисперсии приводит, вследствие увеличения размеров светового пучка и большого угла падения, к необходимости увеличения размеров дифракционных решеток, что технологически осложнено. В настоящее время габаритный размер доступных дифракционных решеток составляет ≈500×400 мм.
Технический результат, достигаемый заявленным изобретением, заключается в расширении диапазона изменения (регулирования) дисперсии групповой скорости импульса устройства.
Технический результат достигается тем, что устройство сжатия оптического импульса на дифракционных решетках с возможностью регулировки длительности сжатого импульса, содержащее неподвижные и установленные на перемещаемой платформе подвижные дифракционные решетки, а также зеркало, отличается от прототипа тем, что содержит корпус: с неподвижной платформой, на которой установлены столики с позиционерами дифракционных решеток и зеркало; с установленной на направляющих стержнях в корпусе подвижной платформой; с установленным в резьбовое отверстие подвижной платформы регулировочным винтом с ручкой, ось которого параллельна направляющим стержням, образующими в совокупности механизм перемещения подвижной платформы по направляющим стержням вдоль оси винта; с установленными на подвижной платформе столиками с позиционерами дифракционных решеток. Столики с позиционерами дифракционных решеток выполнены поворотными относительно их вертикальной оси, а позиционеры дифракционных решеток выполнены с держателями дифракционных решеток и регулировочными винтами держателей, чем обеспечивается необходимая пространственная ориентация и фиксация установленных на столиках дифракционных решеток. Дифракционные решетки образуют две зеркально симметричные относительно плоскости, проходящей через ось регулировочного винта подвижной платформы и перпендикулярной плоскости распространения по оптической системе устройства лазерного импульса, группы из одной неподвижной и одной подвижной решеток с параллельно расположенными и обращенными друг к другу рабочими плоскостями решеток в каждой группе. Зеркало оптической системы устройства установлено на неподвижной платформе таким образом, что падающий на зеркало дифрагированный одной из неподвижных решеток лазерный луч и отраженный от него луч распространяются в одной плоскости, перпендикулярной к плоскости распространения по оптической системе устройства лазерного импульса. При этом входной луч лазера, направленный перпендикулярно к направлению перемещения подвижных решеток и к плоскости симметрии двух групп решеток, поступает на другую неподвижную решетку, ориентированную к входному лучу с углом падения α, который выбирают из соотношения
с
где: λ - центральная длина волны спектра входящего в устройство лазерного импульса, d - период дифракционной решетки.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
r
с
b
На фиг. 1 представлена схема оптической системы устройства, где: 1 - входящий в устройство луч лазера, падающий по углом α, на неподвижную дифракционную решетку 3; 4 и 5 - подвижные дифракционные решетки, размещенные на условно обозначенной на схеме подвижной платформе 8, имеющей возможность перемещаться в направлениях, указанных линией со стрелками; 6 - вторая неподвижная решетка; 7 - зеркало; 20 - граничная длинноволновая составляющая спектра лазерного импульс с длиной волны λ; 21 - составляющая спектра лазерного импульса с центральной длиной волны λ; 22 - граничная коротковолновая составляющая спектра лазерного импульс с длиной волны λ.
На фиг. 2 представлена схема, демонстрирующая выполнение критерия сохранения спектрального состава лазерного луча, дифрагирующего от подвижной решетки, где: L - ширина дифракционной решетки; М - расстояние между центрами неподвижной и подвижной решеток.
На фиг. 3 представлена схема, демонстрирующая нарушение критерия сохранения спектрального состава лазерного луча, дифрагирующего от подвижной решетки, где: L - ширина дифракционной решетки; >М - расстояние между центрами неподвижной и подвижной решеток, превышающее предельно возможное значение.
На фиг. 4 представлен общий вид устройства, где: 3 и 6 - неподвижные дифракционные решетки, установленные на неподвижной платформе 13; 4 и 5 - подвижные дифракционные решетки, установленные на подвижной платформе 8; 7 - зеркало (на рисунке показан, как один из возможных вариантов, вариант с уголковом зеркалом); 8 - подвижная платформа; 9 - корпус устройства; 10 - направляющие стержни; 11 - регулировочный винт с ручкой 12; 13 - неподвижная платформа; 14 - поворотные столики; 15 - позиционер дифракционной решетки.
На фиг. 5 представлен вид устройства с сечением по вертикальной плоскости, проходящей через ось регулировочного винта 11 с ручкой 12, демонстрирующий механизм перемещения подвижной платформы 8, установленный на направляющих стержнях 10 Регулировочный винт установлен в резьбовое отверстие 23 подвижной платформы. Вращением ручки 12 осуществляют перемещение платформы 8 по направляющим 10.
На фиг. 6 представлен позиционер 15 дифракционной решетки, где 16 - установленный в позиционер держатель 16 решетки; 17 - регулировочные винты держателя, с помощью которых осуществляется позиционирование и фиксация решетки.
На фиг. 7 представлен вид устройства, демонстрирующий прохождение лазерного луча по оптической системе устройства, где: 1 - входящий в устройство лазерный луч; 2 - -входящий в устройство лазерный луч.
Фиг. 8 - фиг. 11 на конкретном примере демонстрируют результаты, полученные в ходе реализации данного изобретения:
на фиг. 8 показан профиль импульса до сжатия (линия 24) и после сжатия (линия 25);
на фиг. 9 показан исходный импульс (линия 26) и его чирп (линия 27);
на фиг. 10 показан сжатый импульс (линия 28) и чирп сжатого импульса (линия 29);
на фиг. 11 показан спектр сжатого импульса
Оптическая система устройства, как показано на фиг. 1, состоит из четырех дифракционных решеток и одного зеркала. Две решетки (3 и 6) установлены стационарно, две другие (4 и 5) расположены на подвижной платформе, зеркало установлено стационарно. Работа устройства основана на явлении дисперсии групповой скорости, которая определяет относительную задержку во времени спектральных компонент импульса в устройстве вследствие прохождения спектральными компонентами импульса оптических путей различной длины между точками входа в устройство и выхода.
Входящий импульс 1, как показано на фиг. 1 и фиг. 7, попадает на решетку 3 и дифрагирует от нее на решетку 4. От решетки 4 пространственно разделенные спектральные компоненты импульса дифрагируют параллельно на решетку 5. От решетки 5 спектральные компонеты дифрагируют на решетку 6. От решетки 6 спектральные компонентны импульса дифрагируют в восстановленной первоначальной форме пространственно совмещенных компонент импульса и поперечного профиля луча. Затем луч попадает на зеркало 7. Зеркало может быть выполнено как плоским, так и уголковым. Уголковое зеркало 7, как показано на фиг. 7, в первом действии отражает луч в направлении, перпендикулярном плоскости распространения импульса, а во втором - направляет луч в обратном направлении через решетки от 6 к 3 в плоскости, параллельной плоскости прямого прохождения луча. Выходящий из устройства луч 2 пространственно разделен с входящим лучом 1. При использование вместо уголкового плоского зеркала оптические пути лучей при прямом и обратном ходе совместятся.
Регулировка величины дисперсии групповой скорости импульса устройства выполняется с помощью перемещения подвижной платформы 8, на котором расположены решетки 4 и 5.
Решение, позволившее реализовать конструкцию устройства с регулируемой дисперсией на основе оптической системы, состоящей из четырех дифракционных решеток, одновременным перемещением двух из них, основано на выборе ориентации решеток по отношению к входящему лучу, а также подборе параметров решеток (периода дифракционной решетки). Критерием выбора параметров устройства (угол ориентации решеток по отношению к входящему лучу, период решетки) является необходимость сохранения спектрального состава импульса при дифрагировании луча от подвижных решеток 4 и 5 при условии перпендикулярности входящего луча и направления движения подвижных решеток 4 и 5. При перемещении пары подвижных решеток область засветки данных решеток спектром дифрагированного луча не должна выходить за границы рабочей поверхности данных решеток. Выполнение данного условия показано на фиг. 2 и фиг. 3. Положение подвижной решетки 4, как показано на фиг. 2, является максимально удаленным от неподвижной решетки 3, при котором еще сохраняется спектральный состав дифрагированного от решетки 4 на решетку 5 луча. Если расстояние между решетками превысит максимально допустимую величину, это приведет к потере части спектральных компонент импульса, как показано на фиг. 3, и к нарушению работы устройства. Для правильной работы устройства необходимо определить область параметров, при которых выполняется критерий сохранения спектрального состава проходящего через устройство импульса.
Хорошо известно уравнение дифракционной решетки (Агравал Г., Нелинейная волоконная оптика: Пер. с англ. - М.: Мир, 1996. - 323 с., стр 150.):
здесь α - угол падения луча на дифракционную решетку, β - угол дифрагирования луча от дифракционной решетки, λ - длина волны излучения, d - период дифракционной решетки. Углы α и β определены в области
Запишем уравнение (1) для коротковолновой и длинноволновой границ спектра:
Здесь βb, βr - углы дифрагирования входящего луча от решетки 3 для коротковолновой и длинноволновой границ спектра соответственно, λb, λr - длины волн коротковолновой и длинноволновой границ спектра (фиг. 2 и фиг. 3).
Необходимым условием сохранения спектрального состава импульса при отражении от решетки 4 является ограничение положения границ засвеченной области решетки 4 спектром дифрагированного от решетки 3 луча. Можно показать, что это условие выполняется для коротковолновой части спектра, если:
и для длинноволновой части спектра, если:
Здесь  - ширина подвижных решеток, М - расстояние между центрами неподвижной и подвижной пары решеток.
Задавая входящий угол а и решая систему (3) при заданном расстоянии между парами решеток М и шириной решеток  получаем максимальные величины углов βb, βr отклонения спектральных компонент границ спектра импульса. Подставляя эти величины в систему уравнений (2) можно рассчитать величины длин волн λb, λr границ спектрального диапазона работы устройства при перемещении подвижных решеток 4 и 5 на расстояние М.
И обратно, задавая длины волн λb, λr определяющих требуемый спектральный диапазон работы устройства, можно рассчитать из (2) углы отклонения βb, βr данных спектральных компонент. Подставляя эти величины в (3) при заданной ширине решеток можно получить максимальную величину перемещения решеток М при которой работа устройства остается корректной.
Таким образом, системы уравнения (2), (3) определяют область параметров корректной работы устройства при которых при одновременном перемещении решеток 4, 5 дифрагированный от решетки 3 входящий луч остается в пределах рабочей области решеток 4 и 5.
Дисперсия предлагаемого устройства равна (Агравал Г., Нелинейная волоконная оптика: Пер. с англ. - М: Мир, 1996. - 323 с., стр 151.):
с
с
Здесь ω - несущая частота импульса, β - угол дифракции луча несущей частоты импульса, d - период дифракционной решетки, М - расстояние между центрами решеток.
с
Угол дифракции луча несущей частоты импульса β определяется решением уравнения:
Оптимальный угол падения входящего луча α соответствует случаю, когда угол между направлением дифрагирования составляющей спектра импульса с центральной длиной волны от решетки 3 и направлением входящего в устройство луча является прямым:
c
α-β=90°.
Тогда из (5) получим уравнение на оптимальный угол входа луча в устройство:
Конструкция и работа устройства поясняются фиг. 1 - фиг. 7.
Устройство содержит корпус 9: с неподвижной платформой 13, на которой установлены столики 14 с позиционерами 15 дифракционных решеток и зеркало 7; с установленной на направляющих стержнях 10 в корпусе подвижной платформой 8; с установленным в резьбовое отверстие 23 подвижной платформы регулировочным винтом 11 с ручкой 12, ось которого параллельна направляющим стержням, образующими в совокупности механизм перемещения подвижной платформы по направляющим стержням 10 вдоль оси регулировочного винта; Входящий луч 1, со спектром, ограниченным длинами волн λb, λr (фиг. 1), направленный перпендикулярно к направлению перемещения подвижной платформы 8 с подвижными решетками 4 и 5 и к плоскости симметрии двух зеркально симметричных групп решеток, падает под углом α на решетку 3. Угол α выбирают из соотношения
с
где: λ - центральная длина волны спектра входящего в устройство лазерного импульса, d - период дифракционной решетки.
Решетки установлены на столиках 14 с позиционерами 15 дифракционных решеток. Дифракционные решетки образуют две зеркально симметричные относительно плоскости, проходящей через ось регулировочного винта 11 подвижной платформы 8 и перпендикулярной плоскости распространения по оптической системе устройства лазерного импульса 1, группы из одной неподвижной и одной подвижной решеток (решетка 3 - решетка 4 и решетка 6 - решетка 5) с параллельно расположенными и обращенными друг к другу рабочими плоскостями решеток в каждой группе. Столики 14 выполнены поворотными относительно их вертикальной оси, а позиционеры 15 дифракционных решеток выполнены с держателями 16 дифракционных решеток и регулировочными винтами держателей 17, чем обеспечивается возможность необходимой пространственной ориентация и фиксации установленных на столиках дифракционных решеток 3, 4, 5 и 6.
От решетки 3 луч дифрагирует в угловом диапазоне, ограниченным углами βb и βr,
на подвижную решетку 4. От решетки 4 луч дифрагирует на решетку 5. От решетки 5 луч дифрагирует на решетку 6. От решетки 6 пространственно восстановленный по профилю луч дифрагирует на зеркало 7. Зеркало 7 оптической системы устройства установлено на неподвижной платформе 13 таким образом, что падающий на зеркало дифрагированный неподвижной решеткой 6 лазерный луч и отраженный от него луч распространяются в одной плоскости, перпендикулярной к плоскости распространения по оптической системе устройства лазерного импульса. Зеркало 7, при этом, может быть как плоским, так и уголковым. Уголковое, как представлено в данном конкретном примере на фиг. 7, зеркало 7 переводит луч в плоскость, параллельную плоскости, формируемой входящим лучом при его распространении от решетки 3 до решетки 6. От зеркала 7 луч отражается и проходит путь, обратный входящему в параллельной плоскости проходя решетки от 6 до 3.
Решетки 3 и 4, а также 5 и 6 параллельны друг другу. Угол между решетками 4 и 5 равен удвоенному углу α падения луча на решетку 3.
При движении подвижной платформы 8 от неподвижной платформы 13 увеличивается длина оптического пути, а, следовательно, и дисперсия устройства. При этом за счет того, что в данном техническом решении происходит одновременное перемещение двух решеток, то при тех же размерах решеток, мы получаем возможность в два раза расширить диапазон изменения дисперсии.
Таким образом, существенные признаки данного технического решения позволяют достичь заявленного технического результата.
Пример осуществления изобретения
На фиг. 8 и фиг. 11 показан пример сжатия импульса устройством. Показан профиль импульса до сжатия (рис. 8, линия 24) и после сжатия (рис. 8, линия 25). На фиг. 9 показан исходный импульс (линия 26) и его чирп (линия 27), соответствующий сжатый импульс (линия 28) и чирп сжатого импульса (линия 29) показаны на фиг 10. Спектр данного импульса показан на фиг. 11.
Исходный импульс имел ширину около 20 пс (ширина импульса на половине высоты). Скорость изменения чирпа в средней части импульса 0.1 нм/пс.
2
Максимальное сжатие данного импульса устройством было получено при дисперсии устройства равной -2.21 пс.
Профиль и чирп сжатого импульса показан на фиг. 10. Длительность сжатого импульса составила около 1 пс. Видно, что в средней части сжатый импульс почти расчирпирован.
Рассчитаем параметры устройства для данной величины дисперсии.
Для дифракционной решетки 600 штр/мм с помощью (6) расчитаем оптимальный угол α ориентации решетки 3 для центральной длины волны импульса 1035 нм. Получим, что α=1.24 рад. Для данного α изпользуя систему уравнений (2) получим βb=-0.335 рад, βr=-0.328 рад. Используя (3) с учетом того, что поперечный размер решетки 2 см, получим максимально возможное расстояние между парами решеток 2.4 м.
Таким образом, определен диапазон параметров корректной работы устройства для данного спектра импульса и параметров решеток (указан оптимальный угол ориентации решеток и диапазон перемещения).
2
Требуемое для данных параметров устройства расстояние между решетками, при котором рассматриваемый импульс максимально сжат (рис. 8, линия 25) и реализуется дисперсия -2.21 пс, рассчитаем, используя (4). Получаем: М=0.69 см.