Фемтосекундные твердотельные лазеры

Важные параметры фемтосекундных лазеров

Производительность фемтосекундных лазеров зависит от:

·       длительности импульса;

·       частоты повторения импульса;

·       средней выходной мощности и энергии в импульсе.

Дополнительные аспекты, имеющие важное значение:

·       Произведение длительности сигнала на полосу частот

 

Принцип действия лазеров ультракоротких импульсов (УКИ) основан на явлении синхронизации продольных мод лазерного резонатора. Существуют два сценария процесса такой синхронизации. Генерация может начаться на одной моде, а затем на двух соседних с нужными фазами. Те, в свою очередь, дают новые, соседние моды с нужными фазами и т.д. По другому сценарию генерация сразу же начинается на очень многих модах, но с произвольными фазами. В этом случае временная зависимость интенсивности от времени представляет собой беспорядочный набор флуктуационных пиков на интервале, равном времени обхода лазерным светом зеркал резонатора. Средняя длительность отдельного флуктуационного импульса определяется шириной спектра излучения лазера, т.е. числом аксиальных мод. По первому сценарию работают лазеры с активной синхронизацией мод с помощью внешней модуляции внутрирезонаторного излучения. По второму сценарию работают лазеры с пассивной синхронизацией мод, причём это делается внесением в резонатор нелинейного элемента, способного изменять потери в зависимости от интенсивности проходящего через него излучения.

Существуют несколько методов практической реализации элемента пассивной синхронизации мод. Один из них основан на использовании растворов просветляющихся красителей или полупроводниковых материалов. Другой, метод основан на изменении показателя преломления от интенсивности лазерного излучения. В твердотельных лазерах используется т.н. керровская линза, а в волоконных лазерах — нелинейное вращение поляризации.

Процесс генерации УКИ фемтосекундной длительности включает две фазы. На первой, в результате амплитудной самомодуляции происходит дискриминирование по амплитуде временного профиля интенсивности многомодового излучения, в результате которого, на аксиальном периоде остаётся одиночный импульс (forming). Затем во второй фазе импульс приобретает окончательную форму и длительность благодаря совместному действию фазовой самомодуляции и дисперсии групповых скоростей (shaping). Обе фазы осуществляются благодаря образованию окна на временной оси, через которое проходит наиболее интенсивное излучение. В нём усиление превосходит потери (чистое усиление), а вне его потери превосходят усиление (чистые потери). Подбором параметров осуществляется стационарный режим, т.е. генерация непрерывного цуга УКИ. Необходимо обеспечить условия выхода на такой режим (проблема самозапуска).

Рисунок 8. Многопроходная схема усиления УКИ фемтосекундного диапазона.