СПОСОБ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ УЛЬТРАКОРОТКИХ ЛАЗЕРНЫХ ИМПУЛЬСОВ ВО ВТОРУЮ ГАРМОНИКУ
METHOD OF CONVERTING ULTRASHORT LASER PULSES INTO SECOND HARMONIC

Изобретение относится к нелинейным преобразователям частоты лазерного излучения и касается вопросов преобразования ультракоротких лазерных импульсов во вторую гармонику.
Известен способ преобразования лазерных импульсов с длительностью короче 100 фс во вторую гармонику при прохождении излучения через нецентросимметричный кристалл. К недостаткам этого способа преобразования излучения во вторую гармонику относится снижение эффективности преобразования и увеличение длительности импульса второй гармоники (по отношению к исходному лазерному импульсу) при сокращении длительности лазерного импульса [К.Mori, Y.Tamaki, M.Obara, К.Midorikawa "Second-harmonic generation of femtosecond high-intensity Ti:sapphire laser pulses". Journal of Applied Physics, v. 83, pp.2915-2919 (1998)). Основная причина этого заключается в различии групповых скоростей импульсов на основной частоте и второй гармоники и, как следствие, сокращении эффективной длины взаимодействия.
Наиболее близким к заявляемому является способ временной компрессии импульса второй гармоники (сокращение длительности импульса второй гармоники по отношению к импульсу накачки в режиме истощения накачки) при ее генерации в кристаллах по второму типу синхронизма ое-е. Компрессия в такой схеме реализуется за счет различия групповых скоростей импульсов накачки и второй гармоники. При этом групповая скорость необыкновенного импульса второй гармоники должна быть равна среднему арифметическому групповых скоростей обыкновенного и необыкновенного импульсов накачки [Y.Wang, В.Luther-Davies, "Frequency-doubling pulse compressor for picosecond high-power neodymium laser pulses". Opt. Lett., v. 17, pp.1459-1461 (1992)]. Такая схема хорошо работает для импульсов пикосекундной длительности. Для импульсов длительностью короче 100 фс эффективность процесса компрессии снижается в результате воздействия таких эффектов, как дисперсия групповых скоростей, фазовая самомодуляция и чирп импульса. Лишь численными расчетами показано, что при оптимальных параметрах (задержка между импульсами, длина кристалла, угол синхронизма, интенсивность излучения) возможно сжатие импульса с длительностью 50 фс на основной частоте в импульс второй гармоники с длительностью 27 фс [Т.Harimoto, M.Aoyama, К.Yamakawa. "Numerical simulation of self-compression second-harmonic generation in type II potassium dihydrogen phosphate with a time predelay for Yb-doped solid-state lasers", Optics Express, v. 15, pp.17530-17535 (2007)]. Однако эти теоретические расчеты пока не подтверждены экспериментально.
Задача, решаемая изобретением, - сокращение в два раза длительности импульса второй гармоники по отношению к исходному фемтосекундному лазерному импульсу с длительностью короче 100 фс с высокой эффективностью преобразования (в режиме истощения накачки).
ch
Для решения поставленной задачи предложен способ, заключающийся в следующем. Изначально спектрально-ограниченный импульс на основной частоте с длительностью τ пропускается через дисперсионный элемент. Таким способом генерируется импульс с частотным чирпом и длительностью τ, превышающей длительность исходного импульса. Рассмотрим для наглядности (без потери общности) импульс гауссовой формы с линейным чирпом. При таком приближении импульс на основной частоте ω можно представить в виде:
,
ω
0
0
где: Е - амплитуда световой волны, А - пиковая амплитуда, ω - центральная частота и а - частотный чирп.
Тогда после преобразования во вторую гармонику с высокой эффективностью в режиме истощения накачки, когда амплитуда и длительность импульса второй гармоники близка к амплитуде и длительности импульса на основной частоте, импульс второй гармоники описывается выражением:
2ω
ω
(Здесь мы не рассматриваем процесс преобразования с низкой энергетической эффективностью, при котором длительность импульса второй гармоники меньше длительности импульса накачки в  раз.) Отсюда видно, что величина чирпа второй гармоники превосходит чирп на основной частоте в два раза. Это означает уширение спектра импульса второй гармоники по сравнению с накачкой. Используя аналитические выражения для ширины спектра чирпированного гауссова импульса [Jean-Claude Diels, Wolfgang Rudolph. "Ultrashort laser pulse phenomena", Academic Press (2006)], легко показать, что отношение ширины спектра импульса второй гармоники Δν к ширине спектра импульса на основной частоте Δν составляет
В случае, когда длительность чирпированного импульса много больше длительности соответствующего спектрально-ограниченного импульса или, другими словами, когда ширина спектра импульса определяется в основном фазовой модуляцией, спектр чирпированного импульса второй гармоники будет в два раза шире спектра импульса на основной частоте. В результате после компрессора, компенсирующего частотный чирп, импульс становится спектрально-ограниченным с длительностью, обратно-пропорциональной ширине его спектра [Jean-Claude Diels, Wolfgang Rudolph. "Ultrashort laser pulse phenomena", Academic Press (2006)]. Следовательно, длительность спектрально-ограниченного импульса второй гармоники будет связана с длительностью исходного импульса на основной частоте соотношением:
ch
В предельном случае, когда длительность чирпированного импульса много больше длительности исходного импульса τ>>τ, длительность компрессированного импульса второй гармоники в два раза короче длительности импульса на основной частоте
Схема преобразования импульса во вторую гармонику, реализующая данный способ, показана на Фиг.1.
Она включает:
1. Фемтосекундный лазер
2. Дисперсионный элемент - стретчер
3. Нелинейный кристалл преобразователя
4. Компрессор
-1
Было проведено исследование данного способа преобразования лазерного импульса во вторую гармонику. Эксперименты проводились с использованием фемтосекундной лазерной системы на титанате сапфира. Длительность спектрально-ограниченного лазерного импульса на выходе лазерной системы, построенной по схеме усиления чирпированного импульса, составляла 49 фс (Фиг.2а) при ширине спектра 332 см (Фиг.2б). (Здесь и далее величина длительности импульса и ширина спектра измерены по уровню половины интенсивности). Энергия импульса достигала 100 мкДж.
2
Исследовалось преобразование во вторую гармонику чирпированного импульса длительностью 600 фс. В данном случае вместо пропускания спектрально-ограниченного импульса через дисперсионный элемент чирп вводился посредством изменения расстояния между решетками компрессора на выходе лазерной системы. Интенсивность накачки на входе кристаллов достигала 50 ГВт/см. Преобразование во вторую гармонику происходило в режиме насыщения.
Эксперименты, выполненные с использованием в качестве преобразователя одного кристалла ВВО толщиной 200 мкм, показали, что спектральная ширина синхронизма такого кристалла недостаточна для эффективного преобразования всего спектра чирпированного импульса. Для преобразования всего спектра импульса накачки и, соответственно, достижения максимальной ширины спектра излучения второй гармоники была использована многокристальная схема [М.Brown. "Increased spectral bandwidths in nonlinear conversion processes by use of multicrystal designs". Opt. Lett., v. 23, pp.1591-1593 (1998)]. В область фокусировки накачки было последовательно установлено два одинаковых кристалла ВВО с толщиной по 200 мкм. Кристаллы были ориентированы таким образом, чтобы один из них обеспечивал преобразования высокочастотной, а другой - низкочастотной части спектра чирпированного импульса накачки.
-1
На Фиг.3а показан спектр второй гармоники с максимальной шириной, полученной в эксперименте. В данном случае ширина спектра более чем в два раза превышает спектр импульса на основной частоте и составляет величину 920 см. Максимальная ширина спектра получена за счет того, что кристаллы были настроены так, чтобы наибольшая эффективность преобразования достигалась на краях спектра импульса накачки. Вследствие этого наблюдается провал в центре спектра второй гармоники. При сужении спектра второй гармоники, что достигалось путем уменьшения угла между оптическими осями кристаллов, форма спектра становилась более близкой к колоколообразной и глубина провала в центре уменьшалась. При максимальной ширине спектра второй гармоники энергетическая эффективность преобразования достигала 40%.
Компрессор чирпированного импульса второй гармоники был изготовлен с помощью двух дифракционных решеток, каждая по 400 штр/мм.
Измеренная с помощью SPIDERa форма компрессированного импульса второй гармоники с максимально широким спектром (Фиг.3а) представлена на Фиг.3б (сплошная линия). Его длительность составила 26 фс. На фиг.3б также показана рассчитанная форма импульса (пунктирная линия) с наименьшей возможной длительностью, соответствующая измеренному спектру второй гармоники (Фиг.3а). Длительность рассчитанного импульса составила 25 фс. Данный импульс получен в предположении равенства фаз всех компонент спектра второй гармоники. Видно, что длительности измеренного и рассчитанного импульсов отличаются на 1 фс. Близки также и формы импульсов. На основании этого можно сделать вывод об отсутствии фазовой модуляции импульса второй гармоники и достижении максимальной степени компрессии.