PL220928B1

PL220928B1 - Sposób kompresji spektralnej krótkich impulsów laserowych światła o szerokim widmie oraz układ optyczny do takiej kompresji

Info

Publication number: PL220928B1
Application number: PL400752A
Authority: PL
Inventors: Michał Nejbauer; Yuriy Stepanenko; Czesław Radzewicz; Paweł Wnuk; Piotr Skibiński; Michał Laskownicki
Original assignee: Inst Chemii Fizycznej Polskiej Akademii Nauk
Priority date: 2012-09-12
Filing date: 2012-09-12
Publication date: 2016-01-29
Also published as: PL400752A1; GB201315047D0; GB2506014B; GB2506014A

Description

Wynalazek dotyczy sposobu kompresji spektralnej krótkich impulsów laserowych światła o szerokim widmie oraz układu optycznego do tej kompresji. Bardziej szczegółowo, wynalazek dotyczy sposobu uzyskiwania wąskopasmowych impulsów światła pochodzących ze źródła krótkich (szerokopasmowych) impulsów światła z wykorzystaniem struktur Bragga ze świergotem, korzystnie z objętościowych siatek Bragga ze świergotem (CBVG - ang. Chirped Volume Bragg Grating), a także układu optycznego do realizacji tego sposobu.

Lasery femtosekundowe coraz częściej znajdują zastosowanie w przemyśle. Wykorzystanie krótkich impulsów światła laserowego w wielu technikach spektroskopowych, opartych na laserach femtosekundowych prowadzi do pogorszenia zdolności spektralnej, gdyż widmo takiego impulsu w wyniku fundamentalnego ograniczenia fourierowskiego - jest szerokie. Istnieje kilka metod spektroskopowych, w których wykorzystuje się jednocześnie krótkie szerokopasmowe impulsy światła laserowego oraz impulsy światła laserowego o wąskim widmie. Wśród obecnie znanych metod są to: czasowo-rozdzielcza wymuszona spektroskopia Ramana, spektroskopia powierzchni badana metodą sumowania częstości, spójnie antystokesowskie rozpraszanie Ramana. Uzyskiwanie wąskopasmowych impulsów z szerokopasmowych, a nie odwrotnie, wydaje się być mniej kosztowne i w ostatnim czasie rośnie potrzeba wynalezienia metody, która prowadzi do kompresji spektralnej w sposób wydajny i prosty.

Istnieje kilka metod kompresji spektralnej impulsów laserowych o szerokim widmie. Najprostsza to zastosowanie optycznych filtrów wąskopasmowych lub wykorzystanie bardziej złożonych układów optycznych typu 4f, w których fizycznie usuwa się niechciane częstości z widma poprzez włożenie szczeliny w płaszczyźnie Fouriera układu. Taki sposób konwersji światła prowadzi do dużych strat w energii impulsu, gdyż jedynie fragment widma zostaje wykorzystany. Im bardziej wąskopasmowe impulsy chce się otrzymać, tym większe są straty w konwersji spektralnej. Metody te nie pozwalają także na uzyskanie szeroko strojonych impulsów światła, gdyż dostępne są tylko te częstości, które są obecne w widmie początkowym.

Aby zwiększyć wydajność konwersji promieniowania stosuje się optyczny proces parametryczny konwersji światła w krysztale nieliniowym polegający na sumowaniu częstości dwóch impulsów światła ze świergotem liniowym (tj. posiadających liniową modulację częstości w czasie trwania impulsu) o tej samej wartości bezwzględnej świergotu, lecz przeciwnym znaku [Raoult, A. C. L. Boscheron, D. Husson, C. Sauteret, A. Modenna, V. Malka, F. Dorchies, and A. Migus, “Efficient generation of narrow-bandwidth picosecond pulses by frequency doubling of femtosecond chirped pulses” , Opt. Lett. 23, 1117 (1998)]. Aby zrealizować taki układ potrzebne są dwa elementy dyspersyjne wprowadzające świergot dwóm impulsom światła. Do tej pory takie elementy były realizowane przez układy dyspersyjne z użyciem wielu elementów optycznych, takich jak siatki dyfrakcyjne, zwierciadła, pryzmaty, retroreflektory itp. Nawet najprostsze realizacje takich układów wymagają użycia co najmniej kilku (3 lub więcej) elementów optycznych, które muszą być starannie zjustowane, a więc wymagają użycia elementów ruchomych (mechaniki precyzyjnej). Wadą takiego rozwiązania jest wysoki stopień skomplikowania układu do kompresji spektralnej, wysokie koszty oraz trudności w dokładnym ustawieniu świergotu o tej samej wartości bezwzględnej świergotu.

Nieoczekiwanie okazało się, że niedawno wynalezione objętościowe siatki Bragga ze świergotem (CVBG - Chirped Volume Bragg Grating), tj. posiadające periodyczną modulację współczynnika załamania ze zmiennym okresem [Leonid B. Glebov, Emilie Flecher, Vadim I. Smirnov, Almantas Galvanauskas, Kai-Hsiu Liao, „Stretching and compression of laser pulses by means of high efficiency volume diffractive gratings with variable periods in photo-thermo-refractive glass”, US 7,424,185 B2] mogą być z powodzeniem wykorzystane w kompresji spektralnej impulsów światła. Mają one tę własność, że pojedyncza siatka może nadać impulsowi światła zarówno świergot ujemny, jak i dodatni - w zależności od tego, od której strony impuls światła pada na siatkę - i co najważniejsze, nadawany świergot ma tę samą wartość bezwzględną. Są to warunki idealnie pasujące do metody kompresji spektralnej poprzez sumowanie częstości w krysztale nieliniowym. Zastąpienie złożonych układów dyspersyjnych pojedynczą siatką Bragga znacząco upraszcza całą konstrukcję układu służącego do kompresji spektralnej. Także inne znane struktury Bragga ze świergotem wykorzystane np. w zwierciadłach dielektrycznych [Franz X. Kartner, Nicolai Matuschek, Ursula Keller, „Double chirped mirror”, US 6,301,049] są odpowiednie do zastosowania w proponowanej metodzie kompresji spektralnej, jednak z uwagi na konstrukcję lustra (podkład szklany oraz warstwa dielektryczna nałożona na jedną

PL 220 928 B1 ze stron podkładu) własności nadawanego świergotu impulsom nie są takie same, gdyż jedna z wiązek przechodzi dwa razy przez podkład szklany, a druga nie. Może to być skompensowane przez wprowadzenie dodatkowego szkła w torze jednej z wiązek, co jednak komplikuje układ.

Dlatego też celem obecnego wynalazku jest uzyskiwanie wąskopasmowych impulsów światła pochodzących ze źródła krótkich (szerokopasmowych) impulsów światła z wykorzystaniem struktur Bragga ze świergotem, zwłaszcza z objętościowych siatek Bragga ze świergotem (CBVG - ang. Chirped Volume Bragg Grating).

Zgodnie z obecnym wynalazkiem sposób kompresji spektralnej krótkich impulsów laserowych światła o szerokim widmie, obejmujący optyczny proces konwersji światła w krysztale nieliniowym, charakteryzuje się tym, że obejmuje następujące etapy:

a) impuls laserowy dzieli się na płytce światłodzielącej z wytworzeniem dwóch kopii impulsu światła, przy czym

b) jedną kopię impulsu światła odbija się od jednej ze stron elementu ze strukturą Bragga nadając impulsowi świergot zgodny z charakterystyką tego elementu ze strukturą Bragga, natomiast drugą kopię impulsu światła odbija się od drugiej strony tego samego elementu ze strukturą Bragga ze świergotem nadając impulsowi świergot o przeciwnym znaku, a następnie

c) obydwie kopie impulsu padają na kryształ nieliniowy, w którym sumuje się częstości tych dwóch impulsów światła ze świergotem liniowym i otrzymuje się żądany wąskopasmowy impuls światła.

Korzystnie, w etapie b) odbija się wiązki pod niewielkim kątem od elementu ze strukturą Bragga.

Korzystnie, w etapie b) odbija się wiązki na wprost od elementu ze strukturą Bragga i stosuje polaryzator i płytkę ćwierćfalową do ich odseparowania.

Korzystnie, w etapie c) obie kopie impulsu nakrywa się w czasie za pomocą optycznej linii opóźniającej umiejscowionej na jednym z ramion.

Korzystnie, w sposobie według wynalazku stosuje się element ze strukturą Bragga wybrany z grupy obejmującej siatkę Bragga, objętościową siatkę Bragga ze świergotem i zwierciadło dielektryczne ze świergotem.

Korzystnie, w sposobie według wynalazku stosuje się kryształ nieliniowy wybrany spośród 3-BaB2O4, BiB3O6, CsLiB6Oio, LiB3O5, KH2PO4, KD2PO4, KTiOPO4.

Korzystnie, w sposobie według wynalazku stosuje się dodatkową soczewkę lub soczewki w torze biegu wiązek laserowych przed kryształem nieliniowym.

Ponadto wynalazek obejmuje układ optyczny do kompresji spektralnej krótkich impulsów laserowych światła o szerokim widmie, zawierający laser femsekundowy, płytkę światłodzielącą soczewkę, i kryształ nieliniowy, charakteryzujący się tym, że ponadto zawiera element ze strukturą Bragga, przy czym wspomniane elementy są skonfigurowane tak, że impuls z lasera femtosekundowego, padając na płytkę światłodzielącą dzieli się z wytworzeniem dwóch kopii impulsu światła, przy czym jedna kopia impulsu światła odbija się od jednej ze stron elementu ze strukturą Bragga i otrzymuje świergot zgodny z charakterystyką tego elementu ze strukturą Bragga, natomiast druga kopia impulsu światła odbija się od drugiej strony tego samego elementu ze strukturą Bragga ze świergotem i otrzymuje świergot o przeciwnym znaku, a następnie obydwie kopie impulsu padają na kryształ nieliniowy, w którym dochodzi do sumowania częstości tych dwóch impulsów światła ze świergotem liniowym i otrzymuje się żądany wąskopasmowy impuls światła.

Korzystnie, wiązki odbijają się pod niewielkim kątem od elementu ze strukturą Bragga.

Korzystnie, wiązki odbijają się na wprost od elementu ze strukturą Bragga i są odseparowywane na polaryzatorze i płytce ćwierćfalowej.

Korzystnie, układ według wynalazku posiada optyczną linię opóźniającą umiejscowioną na jednym z ramion i skonfigurowaną tak, że obie kopie impulsu nakrywa się w czasie za pomocą tej optycznej linii opóźniającej.

Korzystnie, kryształem nieliniowym jest kryształ wybrany spośród 3-BaB₂O₄, BiB₃O₆, CsLiB₆O₁₀, LiB3O5, KH2PO4, KD2PO4, KTiOPO4.

Korzystnie, element ze strukturą Bragga stanowi siatka Bragga, objętościowa siatka Bragga ze świergotem lub zwierciadło dielektryczne ze świergotem.

Korzystnie, układ według wynalazku zawiera dodatkową soczewkę lub soczewki w torze biegu wiązek laserowych przed kryształem nieliniowym.

Wynalazek zostanie teraz bliżej przedstawiony w korzystnym przykładzie wykonania, z odniesieniem do załączonego rysunku, na którym:

PL 220 928 B1

Fig. 1 przedstawia przykład realizacji wynalazku, gdzie źródłem impulsów jest laser femtosekundowy (PŚ - płytka światłodzieląca; linie oznaczają tor biegu wiązki laserowej: ciągła - tor biegu wiązki 1030 nm, przerywana - wiązka uzyskanych wąskopasmowych impulsów światła o długości fali 515 nm; strzałka oznacza możliwość precyzyjnego ruchu elementu optycznego), zaś

Fig. 2 przedstawia widmo uzyskanego wąskopasmowego impulsu mierzonego spektrometrem o rozdzielczości ok. 0.6 cm^-1.

Fig. 3 przedstawia strojenie centralnej długości fali wąskopasmowego impulsu w funkcji względnego opóźnienia pomiędzy impulsami ze świergotem.

Korzystny przykład wykonania wynalazku

Korzystny przykład wykonania układu realizującego sposób według wynalazku pokazany jest na fig. 1. Źródłem impulsów jest laser femtosekundowy Pharos Light Conversion, dostarczający impulsy o czasie trwania 180 fs, energii 200 μJ i centralnej długości fali 1030 nm. Wiązka impulsów laserowych dzielona jest na płytce światłodzielącej w stosunku 1:1. Jedna kopia impulsu odbijana jest pod niewielkim kątem od jednej ze stron objętościowej siatki Bragga ze świergotem (o parametrze świergotu 12.5 ps/nm), nadając impulsowi świergot zgodny z charakterystyką siatki.

Druga kopia impulsu odbijana jest pod niewielkim kątem od drugiej strony tej samej siatki Bragga, nadając impulsowi świergot o przeciwnym znaku. Obie kopie impulsu są nakrywane w czasie za pomocą optycznej linii opóźniającej umiejscowionej w jednym z ramion (czyli w torze wiązki optycznej jednej lub drugiej kopii impulsu). Następnie w krysztale nieliniowym (3-BaB₂O₄) dochodzi do sumowania częstości, w wyniku której powstaje pożądany wąskopasmowy impuls na długości fali ok. 515 nm (fig. 2). Dodatkowo, w torze wiązek 1030 nm można umieścić soczewkę lub soczewki przed kryształem nieliniowym w celu zwiększenia sprawności przetwarzania parametrycznego poprzez dobór optymalnych rozmiarów wiązek w krysztale nieliniowym. W opisywanym przykładzie wynalazku uzyskano 52 μJ wąskopasmowego impulsu laserowego na długości fali ok. 515 nm, co wskazuje na

26% sprawności całej konstrukcji. Szerokość widmowa impulsu mierzona na spektrometrze o roz-1 dzielczości 0.6 cm^-1 pokazuje, że jest ona na granicy zdolności rozdzielczej urządzenia. Układ pozwala na bardzo precyzyjne strojenie uzyskanego wąskopasmowego impulsu poprzez zmianę opóźnienia względnego pomiędzy impulsami (fig. 3).

Claims

1. Sposób kompresji spektralnej krótkich impulsów laserowych światła o szerokim widmie, obejmujący optyczny proces konwersji światła w krysztale nieliniowym, znamienny tym, że obejmuje następujące etapy:

2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że w etapie b) odbija się wiązki pod niewielkim kątem od elementu ze strukturą Bragga.

3. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że w etapie b) odbija się wiązki na wprost od elementu ze strukturą Bragga i stosuje polaryzator i płytkę ćwierćfalową do ich odseparowania.

4. Sposób według zastrz. 1, 2 albo 3, znamienny tym, że w etapie c) obie kopie impulsu nakrywa się w czasie za pomocą optycznej linii opóźniającej umiejscowionej na jednym z ramion.

5. Sposób według dowolnego z powyższych zastrz. od 1 do 4, znamienny tym, że stosuje się element ze strukturą Bragga wybrany z grupy obejmującej siatkę Bragga, objętościową siatkę Bragga ze świergotem i zwierciadło dielektryczne ze świergotem.

6. Sposób według dowolnego z powyższych zastrz. od 1 do 5, znamienny tym, że stosuje się kryształ nieliniowy wybrany spośród 3-BaB₂O₄, BiB₃O₆, CsLiB₆O₁₀, LiB₃O₅, KH₂PO₄, KD₂PO₄, KTiOPO4.

PL 220 928 B1

7. Sposób według dowolnego z powyższych zastrz. od 1 do 6, znamienny tym, że stosuje się dodatkową soczewkę lub soczewki w torze biegu wiązek laserowych przed kryształem nieliniowym.

8. Układ optyczny do kompresji spektralnej krótkich impulsów laserowych światła o szerokim widmie, zawierający laser femsekundowy, płytkę światłodzielącą soczewkę, i kryształ nieliniowy, znamienny tym, że ponadto zawiera element ze strukturą Bragga, przy czym wspomniane elementy są skonfigurowane tak, że impuls z lasera femtosekundowego, padając na płytkę światłodzielącą dzieli się z wytworzeniem dwóch kopii impulsu światła, przy czym jedna kopia impulsu światła odbija się od jednej ze stron elementu ze strukturą Bragga i otrzymuje świergot zgodny z charakterystyką tego elementu ze strukturą Bragga, natomiast druga kopia impulsu światła odbija się od drugiej strony tego samego elementu ze strukturą Bragga ze świergotem i otrzymuje świergot o przeciwnym znaku, a następnie obydwie kopie impulsu padają na kryształ nieliniowy, w którym dochodzi do sumowania częstości tych dwóch impulsów światła ze świergotem liniowym i otrzymuje się żądany wąskopasmowy impuls światła.

9. Układ według zastrz. 8, znamienny tym, że wiązki odbijają się pod niewielkim kątem od elementu ze strukturą Bragga.

10. Układ według zastrz. 8, znamienny tym, że wiązki odbijają się na wprost od elementu ze strukturą Bragga i są odseparowywane na polaryzatorze i płytce ćwierćfalowej.

11. Układ według zastrz. 8, 9 albo 10, znamienny tym, że posiada optyczną linię opóźniającą umiejscowioną na jednym z ramion i skonfigurowaną tak, że obie kopie impulsu nakrywa się w czasie za pomocą tej optycznej linii opóźniającej.

12. Układ według dowolnego z powyższych zastrz. od 8 do 11, znamienny tym, że kryształem nieliniowym jest kryształ wybrany spośród 3-BaB₂O₄, BiB₃O₆, CsLiB₆O₁₀, LiB₃O₅, KH₂PO₄, KD₂PO₄, KTiOPO4.

13. Układ według dowolnego z powyższych zastrz. od 8 do 12, znamienny tym, że element ze strukturą Bragga stanowi siatka Bragga, objętościowa siatka Bragga ze świergotem lub zwierciadło dielektryczne ze świergotem.

14. Układ według dowolnego z powyższych zastrz. od 8 do 13, znamienny tym, że zawiera dodatkową soczewkę lub soczewki w torze biegu wiązek laserowych przed kryształem nieliniowym.