10 ГВт фемтосекундная лазерная система ФС-1 - устройство и характеристики

10 ГВТ ФЕМТОСЕКУНДНАЯ ЛАЗЕРНАЯ СИСТЕМА ФС-1 - УСТРОЙСТВО И ХАРАКТЕРИСТИКИ

В.Г. Беспалов, В.Н. Васильев, Ю.Н. Ефимов, С.А. Козлов, В.Н. Крылов, Г.В. Лукомский, С.Э. Путилин, Д.И. Стаселько

Прогресс науки и радикальные изменения информационных технологий XXI века во многом будут связаны с достижениями оптики световых импульсов сверхкороткой длительности (фемтосекундной оптики). Создание качественно новых технологий, основанных на взаимодействии фемтосекундных импульсов света с веществом (фемтотехнологии), явится важнейшим движущим фактором для многих областей науки и техники. Фемтосекундные комплексы - это быстро прогрессирующая область лазерной техники, находящаяся на самом переднем крае науки и технологии. Фемтосекундные комплексы совсем недавно перешли из разряда уникальных лабораторных инструментов в разряд доступного оборудования, но их создание и применение по-прежнему предъявляет самые высокие требования к процессам разработки, конструирования, сборки и обслуживания. Разработка в СПбГУ ИТМО 10 ГВт фемтосекундной лазерной системы ФС-1 -один из первых шагов на пути становления отечественной оптоинформатики с использованием предельно коротких импульсов света.

1. Введение

Начиная с открытия импульсных лазеров [1], исследователи стремились получить все более короткие световые импульсы. В начале 80-х годов несколькими группами был преодолен рубеж 10-13 с, и началось быстрое освоение фемтосекундного диапазона длительностей [2]. Как показывает анализ, именно фемтосекундные импульсы были необходимы для исследования многих элементарных процессов по химии, фотобиологии и физике. Фемтосекундная оптическая техника позволила разработать прямые экспериментальные методы изучения молекулярной динамики сложных (в том числе биологически активных) молекул и конденсированных сред.

В 1984 г. была понята важность осторожного баланса между временем удвоенного пробега по резонатору и дисперсией групповых скоростей при формировании сверхкороткого импульса [3], и были получены суб-100 фс оптические импульсы [4]. Дальнейшее развитие техники привело к созданию лазера на красителе со сталкивающимися импульсами и с управляемой призменной системой с отрицательной дисперсией [5], генерирующего световые импульсы длительностью ~ 30 фс.

Для дальнейшего продвижения в сторону более коротких импульсов были применены методы нелинейной оптики. В данном методе [6] 30 фс импульс вводится в одно-модовое волокно и посредством объединенного действия фазовой самомодуляции и дисперсии среды становится спектрально уширенным. Этот спектрально и временно уширенный импульс сжимался оптической системой с отрицательной дисперсией на основе либо двух призм, либо двух дифракционных решеток [7], что приводит к более короткому импульсу. В 1987 г. этим методом [8] были получены импульсы длительностью 6 фс в видимом диапазоне

Технология фемтосекундных лазеров коренным образом изменилась с появлением в 1990 г. лазера на кристалле сапфира, активированного ионами трехвалентного титана, с самосинхронизацией мод керровской линзой [9], предложенного английским исследователем В. Сиббетом и его группой. Титан-сапфировый кристалл обладает практически наилучшими параметрами среди твердотельных сред для генерации фемтосекунд-ных импульсов. Так, его полоса оптического усиления (спектра спонтанного излучения) простирается от 700 до 1200 нм, он обладает большой теплопроводностью и запасенной энергией. Уже в первых экспериментах с титан-сапфировыми лазерами были получены импульсы длительностью 10-15 фс [10].

Прорыв в область суб-10 фс для титан-сапфировых лазеров стал возможен при появлении теории влияния дисперсии третьего порядка на длительность сверхкороткого импульса и как итог - теории создания техники так называемых чирпированных зеркал

[11] и полупроводниковых модуляторов с квантовыми ямами [12]. На сегодняшний день рекорд минимальной длительности для данных лазеров поставлен группой Урсулы Келлер [13] - 4,8 фс. Для световых импульсов короче 10 фс применяется новый термин - предельно короткие импульсы, так как их длительность становится сравнимой с периодом колебания электрического поля [14].

Абсолютный рекорд минимальной длительности - 4 фс - поставлен двумя группами исследователей [15-16] при использовании внешней временной компрессии спектрально и временно уширенных 10 фс импульсов тинан-сапфирового лазера, сфокусированных либо в кварцевое волокно, либо в полый кварцевый волновод, заполненный аргоном.

Переход к фемтосекундным импульсам - это и очередной скачок по шкале интенсивности. При длительности светового импульса 10 фс сравнительно небольшой энергии в 10 мкДж соответствует мощность Ро = 1 ГВт. Такие параметры в настоящее время можно получить в системах на основе метода усиления чирпированного импульса [17], построенных по схеме: маломощный задающий генератор (титан-сапфировый лазер), стретчер (расширитель импульса), усилитель, компрессор (сжиматель импульса). Таким образом, в современных фемтосекундных системах удается перейти к уровням мощности, которые еще совсем недавно удавалось получать только в мультикилоджо-ульных установках, предназначенных для управляемого термоядерного синтеза.

Устройство и характеристики фемтосекундной лазерной системы

Оптимальная схема фемтосекундной лазерной системы ФС-1, разработанной в СПбГУ ИТМО и предназначенной для исследований и разработок в области оптики сверхкоротких световых импульсов, была выбрана исходя из наличия компонент и минимума покупных изделий. Блок-схема приведена на рис. 1.

Рис. 1. Блок схема фемтосекундной лазерной системы

В качестве задающего генератора нами использован фемтосекундный лазер на кристалле титан-сапфира «Фемос-2», выпускаемый отделом лазерной оптики при Новосибирском государственном университете.

Параметры лазера «Фемос-2»: длины волн генерации 750-950 нм, длительность одиночного импульса менее 25 фс, частота следования импульсов 80 МГц, энергия одиночного импульса 1-5 нДж, средняя мощность излучения 400 мВт.

В основу работы лазера (рис. 2) положен метод синхронизации мод наведенной керровской линзой. В качестве излучения накачки используется высокостабилизиро-ванное, одномодовое по поперечным индексам излучение непрерывного ионного аргонового лазера SP-2017 фирмы Spectra Physics на всех длинах волн с мощностью не менее 4 Вт. Излучение накачки поступает на зеркало З2 и при помощи линзы Л фокусируется в кристалл титан-сапфира диаметром 3 мм и длиной 6 мм, с торцами, ориентированными под углом Брюстера относительно оптической оси. Для пространственного согласования сфокусированного одномодового пучка накачки и одномодового излучения фемтосекундного лазера кристалл Ti:S помещается в центр системы из двух сферических зеркал СЗ1-СЗ2 с радиусом кривизны 80 мм и коэффициентом отражения R= 99.9%. Резонатор лазера образован системой плоских зеркал З1-З6, причем выходное зеркало ЗЗ имеет пропускание Т=3-5%, а остальные обладают коэффициентом отражения R= 99.9%. Для компенсации эффектов, связанных с дисперсионным расплыва-нием импульсов внутри резонатора лазера, установлен призменный компрессор, образованный двумя кварцевыми брюстеровскими призмами П1-П2. Оптические детали резонатора, кристалл титан-сапфира и система ввода излучения закреплены на трех стержнях из инвара, что обеспечивает температурную стабильность длины резонатора и позволяет реализовать механизм синхронизации мод лазера, основанный на изменении пространственного профиля пучка в результате самофокусировки, вызванной эффектом Керра в кристалле титан-сапфира.

Лазерные импульсы от лазера «Фемос-2» поступает на вход удлинителя фемтосе-кундных импульсов - стретчера, состоящего из дифракционной решетки и линзы. Растянутые до 100 пс лазерные импульсы с вертикальной поляризацией, отражаясь от входного поляризатора П, поступают на входную (первую) ячейку Поккельса на основе кристалла БКБР с быстродействием менее 5 наносекунд. При отсутствии управляющего напряжения отдельный импульс из цуга проходит ячейку Поккельса, не меняя поляризацию, и не попадает в резонатор регенеративного усилителя, так как, пройдя до зеркала 31 и обратно, он отражается от поляризатора П. Если на ячейку Поккельса подается импульс четвертьволнового напряжения от драйвера длительностью 20 нс, то излучение проходит ячейку с поворотом поляризации на 45° на первом и втором проходах (итого 90°), затем проходит через поляризатор П и поступает в усилитель на кристалле сапфира с титаном. При этом на вторую (выходную) ячейку Поккельса не подается напряжение, она не изменяет поляризацию импульса, и он проходит через поляризатор П. На обратном проходе по резонатору в первой ячейке Поккельса кончается четвертьвол-

П1

Рис. 2 . Оптическая схема лазера «Фемос-2»

новый электрический импульс длительностью 20 нс, поляризация излучения остается неизменной, и оно проходит сквозь первый поляризатор П на второй проход усиления.

Накачка регенеративного усилителя осуществляется импульсным излучением второй гармоники Кё:УЛО лазера LQ-129 (фирмы «ЛОТИС-ТИИ», г. Минск, Беларусь) с модуляцией добротности и с энергией в отдельном импульсе до 80 мДж, длительностью 12 нс и частотой следования 50 Гц. Поскольку поляризация излучения в дальнейшем не меняется, то импульс в резонаторе проходит сквозь поляризаторы и начинает циркулировать по резонатору. Через 20-40 проходов по резонатору на вторую (выходную) ячейку Поккельса подается четвертьволновое напряжение, усиленный импульс излучения с вертикальной поляризацией отражается от выходного поляризационного зеркала и выходит из резонатора. В дальнейшем импульс поступает на вход компрессора на основе двух дифракционных решеток и сжимается до фемтосекундной длительности.

Рис. 3. Оптическая схема регенеративного усилителя: З1-З4 - зеркала регенеративного усилителя, П - поляризационные зеркала, ЭОК - ячейки Поккельса, Д - диафрагма, Ti:Sp - кристалл сапфира с титаном

Блок синхронизации предназначен для формирования последовательности импульсов запуска лампы и электрооптического затвора лазера LQ-129, а также запуска блока управления ячейками Поккельса синхронно относительно задающего генератора. Особенностью конструкции блока управления ячейками Поккельса является запуск электрической системы с использованием p-i-n фотодиода и оптоэлектронного высоковольтного тиристорного ключа.

Блок синхронизации и блок управления ячейками Поккельса были реализованы с использованием готовых разработок фирмы «ЛОТИС-ТИИ».

Выходные параметры фемтосекундной лазерной системы: длительность импульсов - менее 150 фс, энергия в отдельном лазерном импульсе - до 1 мДж, частота следования импульсов 50 Гц.

Перспективы применения фемтосекундной лазерной системы

Фемтосекундная лазерная система ФС-1 будет использована для экспериментального изучения широкого круга проблем оптики предельно коротких световых импульсов и сложных оптических волновых образований. Исследования с помощью фемтосе-

кундной лазерной системы позволят определить закономерности протяженной пространственной филаментации, реализовать световые образования из одного колебания электрического и магнитного поля, эффективную генерацию спектрального суперконтинуума и гиперконтинуума в различных средах, в том числе в фотонных микроструктурных волокнах, использовать предельно короткие импульсы и фемтосекундный спектральный суперконтинуум в системах сверхбыстрой передачи информации.

Широкое внимание, связанное с возможностью создания устройств обработки информации с фемтосекундным быстродействием, привлекают сверхбыстрые нелинейные отклики металлических наночастиц, квантовых точек, фуллеренов в твердотельных и жидких матрицах и ряда других объектов. Существенное внимание должно уделяться теоретическим и экспериментальным исследованиям спектроскопической кинетики взаимодействия света с указанными объектами, механизмам их сверхбыстрых откликов, а также возможностям их применения в информационных технологиях.

Основная задача в области фемтосекундной метрологии должна быть связана с разработкой принципов регистрации непосредственно электрического поля однопери-одного импульса, а также методам адекватного описания параметров фемтосекундных импульсов.

Одним из перспективных направлений фемтосекундной оптики является получение генерации широкополосного терагерцового излучения фотовозбужденными носителями в полупроводниках и сверхпроводниках. Данная область электромагнитного спектра до последнего времени не была обеспечена источниками когерентного излучения, и по мере их создания предполагается развивать терагерцовую голографию, спектроскопию, а также исследования терагерцовых нелинейных взаимодействий.

Перечисленные фундаментальные исследования в конечном итоге будут направлены на создание конкретных технологий. Например, проблема протяженной филамен-тации в атмосфере связана с экологическими лидарными технологиями, проблема генерации одинопериодного импульса - с созданием временных стандартов, и т.д. Большую роль в современной науке и ее практических применениях будут играть создание новых технологий в областях, связанных с обработкой материалов фемтосекундными импульсами, с воздействием фемтосекундных электромагнитных импульсов на вещество и, в частности, на биологические объекты и их молекулярные фрагменты, включая молекулы ДНК.

Развитие исследований в указанных направлениях требует оснащения разработанной фемтосекундной системы средствами диагностики и управления параметрами излучения, накопления опыта работы на ней, а также создания специализированных стендов для проведения работ в области фемтосекундной нелинейной оптики, оптоинфор-матики, фемтосекундной спектроскопии, терагерцовой оптики и фотобиологии.

Выводы

Разработана 10 ГВт фемтосекундная лазерная система ФС-1. Показаны перспективы использования этой системы в различных областях науки и техники, а также при разработке новых технологий.

Работа выполнена при поддержке грантов РФФИ 05-02-20000 и РФФИ 05-02-16556

Литература

1. Maiman T.H. Stimulated Optical Radiation in Ruby. // Nature. 1960. Vol. 187. № 4736. P. 493-494.

2. Ruddock I.S., Bradley D. J. Bandwidth limited subpicosecond pulse génération in mode-locked cw dye lasers. // Appl. Phys. Lett. 1976. Vol. 29. P.296.

3. J.P. Gordon, R.L. Fork. Optical resonator with negative dispersion // Opt. Lett. 1984. Vol. 9. P. 153.

4. R.L. Fork, O.E. Martinez. Negative dispersion using pair of prisms // Opt. Lett. 1984. Vol. 9. P. 150.

5. J.A. Valdmanis, R.L. Fork, J.P. Gordon. Generation of optical pulses as short as 27 femtoseconds directly from a laser balancing self-phase modulation, group-velocity dispersion, saturable absorption, and saturable gain. // Opt. Lett. 1985. Vol. 10. P. 131.

6. W.J. Tomlison, R.H. Stolen, C.V. Shank. Compression of optical pulses chirped by self-phase modulation in fibers // J. Opt. Soc. Am. B. 1984. Vol. 1. P. 139.

7. J.D. Kafka, T. Baer. Prism-pair dispersive delay lines in optical pulse compression. // Opt. Lett. 1987. Vol. 12. P. 401.

8. R.L. Fork, C.H. Brito Cruz, P.C. Becker, C.V. Shank. Compression of optical pulses to six femtoseconds by using cubic phase compensation. // Opt. Lett. 1987. Vol. 12. P. 483.

9. D.E. Spence P.N. Kean, W. Sibbet. 60-fs pulse generation from a self-mode-locked Ti:sapphire laser. // Opt. Lett. 1991. Vol. 16. P. 42-44.

10. Ch. Spielmann, P.F. Curley, T. Brabec, E. Wintner, F. Krausz. Generation of sub-20 fs mode-locked pulses from Ti:sapphire laser. // Electron. Lett. 1992. Vol. 28. P. 1532.

11. R. Szipocs, K. Ferencz, Ch. Spielmann, F. Krausz. Chirped multilayer coatings for broadband dispersion control in femtosecond lasers. // Opt. Lett. 1994. Vol. 19, P. 201.

12. I D. Jung, FX. Kartner, N. Matuschek, D.H. Sutter, F. Morier-Genoid, G. Zhang, U. Keller, V. Scheuer, M. Tilsch, T.Tschudi. Self-starting 6.5 fs pulses from a Ti:sapphire laser. // Optics Lett. 1997. Vol. 22. P. 1009-1011.

13. D. H. Sutter, G. Steinmeyer, L. Gallmann, N. Matuschek, F. Morier-Genoud, U. Keller, V. Scheuer, G. Angelow, T. Tschudi . Semiconductor saturable-absorbermirrorassisted Kerr-lensmode-locked Tisapphire laser producing pulses inthe two-cycle regime. // Opt. Lett. 1999. Vol. 24. P. 631.

14. 21. Bespalov V.G., Kozlov S.A., ShpolyanskyYu.A., Oukrainski A.O., Sazonov S.V. Spectral evolution of propagating extremely short pulses. // Physics of Vibration, 1999, Vol. 7. P. 19-27.

15. A. Baltuska, Z. Wei, M.S. Pshenichnikov, D.A. Wiersma, Robert Szipocs. - All-solid-state Cavity-dumped sub-5-fs laser. // Appl. Phys. B. 1997. Vol. 65. P. 175-188.

16. M. Nisoli, S. Stagira, S. De Silvestri, A. Svelto, S. Sartania, Z. Cheng, M. Lenzner, Ch. Spielmann, F. Krausz. A novel-high energy pulse compression system: generation of mul-tigigawatt sub-5-fs pulses. // Appl. Phys. B. 1997. Vol. 65, P. 189-196.

17. S.Backus, C.G.Durfee III, G.Mourou, H.C.Karteyn, M.M.Murnane 0.2 TW laser system at 1 kHz. // Opt. Lett. 1997. Vol. 22. P.1256-1258.