СПОСОБ ЧАСТОТНОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ УЛЬТРАКОРОТКИХ ЛАЗЕРНЫХ ИМПУЛЬСОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF TRANSFORMING FREQUENCY OF ULTRASHORT LASER PULSES AND DEVICE TO THIS END

Изобретение относится к комбинационным лазерам и касается вопросов преобразования частоты ультракоротких лазерных импульсов.
Известны способы частотного преобразования ультракоротких световых импульсов посредством ВКР, в которых излучение лазеров с длительностью импульсов ≤500 фс преобразуется в стоксову компоненту при фокусировке излучения в активную среду [V.Krylov, О.Ollikainen, U.P.Wild, A.Rebane, V.G.Bespalov and D.I.Staselko "Femtosecond stimulated Raman scattering in pressurized gases in the ultraviolet and visible spectral ranges", J.Opt. Soc. Am. В 15 2910-2916 (1998)]. К недостаткам таких способов и преобразователей частоты для их осуществления относится резкое снижение эффективности преобразования при сокращении длительности импульса до 100 фс и короче. Причина этого заключается в развитии конкурирующих нелинейных эффектов, таких как самофокусировка и фазовая самомодуляция. Эти эффекты возникают при интенсивности лазерного излучения меньшей, чем ее пороговое значение при нестационарном ВКР. В этом случае пороговая интенсивность ВКР обратно пропорциональна длительности лазерного импульса и, соответственно, растет при сокращении его длительности.
Наиболее близкими к заявляемому являются способ и устройство частотного преобразования ультракоротких лазерных импульсов с использованием комбинационных лазеров с накачкой лазерными импульсами с длительностью ~100 фс, в которых для снижения интенсивности излучения в области преобразования предварительно используется растяжка во времени лазерного импульса путем его пропускания через дисперсионный элемент. Полученные таким образом более длинные лазерные импульсы с частотным чирпом дают возможность снизить интенсивность излучения в области преобразования и избежать возникновения нежелательных нелинейных эффектов. При ВКР частотный чирп накачки воспроизводится комбинационными компонентами, которые в дальнейшем могут быть компрессированы элементом с отрицательной дисперсией [С.Jordan, К.A.Stankov, G.Marowsky and Е.J.Canto-Said, "Efficient compression of femtosecond pulses by stimulated Raman scattering", Appl. Phys. B. 59 471-473 (1994).]. Существенным недостатком этого способа преобразования импульсов короче 100 фс на основе ВКР является сужение спектра комбинационной компоненты по сравнению со спектром импульса накачки и, как следствие этого, увеличение длительности импульса комбинационной компоненты после компрессии. Сужение спектра импульса комбинационной компоненты связано с нелинейностью процесса комбинационного рассеяния чирпированного импульса, когда наиболее эффективно преобразуются спектральные компоненты с максимальной амплитудой. Как показывают проведенные эксперименты [N.Zhavoronkov, F.Noack, V.Petrov, V.P.Kalosha and J.Herrmann "Chirped-pulse stimulated Raman scattering in barium nitrate with subsequent recompression", Opt. Lett. 26 47-49 (2001], обычно длительность импульса стоксова излучения превышает длительность импульса накачки в 3-4 раза. Еще один недостаток данного способа ВКР преобразования, который значительно сужает область применения комбинационных лазеров фемтосекундного диапазона, заключается в нестабильности формы импульса комбинационной компоненты, что связано с нестационарностью процесса рассеяния в условиях насыщения [J.N.Elgin, Т.В.О'Hare “Saturation effects in transient stimulated Raman scattering”, J.Phys. В 12 159-168 (1979)].
Задача, решаемая изобретением, - увеличение ширины спектра комбинационной компоненты, соответственно сокращение длительности преобразованного импульса и повышение стабильности формы импульса.
2
Для решения поставленной задачи предложен способ частотного преобразования ультракоротких лазерных импульсов, заключающейся в том, что в комбинационно-активную среду подаются два лазерных чирпированных импульса, разделенных временным интервалом, меньшим времени поперечной релаксации Т активной среды. При этом энергия первого импульса должна превышать пороговое значение энергии ВКР, а энергия второго импульса должна быть меньше порогового значения энергии ВКР. При ВКР первого импульса в активной среде создается волна когерентных колебаний, которая не затухает к моменту прихода второго импульса. ВКР второго (задержанного) импульса определяется в этом случае амплитудой когерентной волны, созданной первым импульсом. То есть эффективность комбинационного рассеяния практически не меняется на протяжении второго импульса. Следовательно, спектр накачки просто смещается на величину, кратную стоксову сдвигу активной среды, сохраняя свою ширину. Поскольку ВКР на колебательных и электронных уровнях молекулы относится к скалярному виду рассеяния [Б.Я.Зельдович, Н.Ф.Пилипецкий, В.В.Шкунов "Обращение волнового фронта", Москва, "Наука", 1985], то возможно разделение комбинационных компонент первого и второго импульса поляризационным методом. При линейных ортогональных поляризациях импульсов накачки поляризации комбинационных компонент также будут ортогональны, они могут быть разделены с помощью поляризатора.
Для реализации данного способа предложено устройство, содержащее дисперсионный элемент, ВКР-преобразователь и компрессор, в которое, согласно изобретению, дополнительно введены фазовращающая пластина λ/2, расположенная за дисперсионным элементом, за фазовращающей пластиной расположен поляризатор, за ним два зеркала, оптическая линия задержки и второй поляризатор, а между ВКР-преобразователем и компрессором расположен третий поляризатор.
Схема устройства, реализующего предложенный способ, показана на Фиг.1.
Устройство содержит:
1. Фемтосекундный лазер.
2. Дисперсионный элемент - стретчер.
3. Фазовращающую пластину λ/2.
4. Поляризаторы.
5. Зеркала с коэффициентом отражения 100%.
6. Оптическую линию задержки.
7. ВКР-преобразователь.
8. Дисперсионный элемент - компрессор.
Устройство работает следующим образом. Импульс фемтосекундного лазера 1 проходит через дисперсионный элемент 2 и растягивается во времени до пикосекундной длительности. При этом возникает частотный чирп. В дальнейшем с помощью поляризаторов 4 и зеркал 5 он расщепляется на два импульса с ортогональными поляризациями. При этом временной интервал между импульсами меняется с помощью оптической линии задержки 6, а соотношение энергий импульсов путем вращения пластины λ/23. Пара импульсов направляется в ВКР-преобразователь 7. Соотношение энергий импульсов устанавливается таким образом, чтобы энергия первого импульса была выше пороговой нестационарного ВКР, а второго - ниже. Комбинационная компонента от второго импульса выделяется с помощью поляризатора 4, и импульс компрессируется с помощью дисперсионного элемента 8 до фемтосекундной длительности.
2
Было проведено исследование данного устройства для частотного преобразования фемтосекундных импульсов. В качестве фемтосекундного лазера использовался лазер на титанате сапфира с длиной волны 810 нм и длительностью импульса 50 фс. Энергия импульса составляла 100 мкДж. После дисперсионного элемента (стретчера), изготовленного из двух дифракционных решеток, длительность импульса возрастала до 1 пс. С помощью поляризаторов, линии задержки и зеркал исходный лазерный импульс делился на два с ортогональными поляризациями. Осуществлялось ВКР преобразование в первую стоксову компоненту в сжатом метане при давлении 60 атм. Энергии импульсов накачки с ортогональными поляризациями составляли 60 мкДж, что в 1,5 раза выше порога ВКР, и 40 мкДж - немного ниже пороговой энергии. Временной интервал между импульсами равнялся 5 пс, что в 2 раза меньше времени Т для метана, которое для 60 атм составляет 11 пс. На Фиг.2 показаны спектры импульсов накачки а) на входе в активную среду ВКР-преобразователя, б) на выходе активной среды, в) спектр первой стоксовой компоненты для одного первого импульса накачки.
Видно, что наблюдается значительное сужение спектра импульса стоксова излучения. В этом случае даже при идеальном компрессоре длительность стоксова импульса после компрессии не может быть короче 150 фс, что в 3 раза превышает длительность исходного лазерного импульса. Более того, форма спектра стоксова импульса была нестабильной и менялась от импульса к импульсу. Эффективность преобразования по энергии первого импульса накачки составляла 20%.
На Фиг.3а показана форма спектра стоксова излучения при ВКР задержанного импульса накачки с энергией ниже пороговой.
Видно, что спектр имеет гладкую форму, воспроизводимую от импульса к импульсу, а ширина спектра близка к ширине спектра импульса накачки и в 2,8 раза шире спектра стоксова импульса от первого импульса накачки. Эффективность преобразования по энергии задержанного импульса накачки достигала 47%, что дает 20% эффективность преобразования по энергии от исходного импульса накачки.
Была осуществлена компрессия задержанного стоксова импульса. В качестве компрессора использовался стеклянный стержень. На Фиг.3б показана автокорреляционная функция стоксова импульса после компрессии. Она соответствует длительности стоксова импульса в 68 фс, что близко к длительности исходного лазерного импульса 50 фс.