Kształt impulsu przy swobodnej generacji

P

p

t 

[ms]

Impulsowe pompowanie 

lasera

ΔN

0

Inwersja obsadzeń

próg generacji

stan równowagi

t

t

P

L

Generowany impuls 

lasera jako zbiór 

podimpulsów

Kształt impulsu przy 

modulowanej dobroci 

rezonatora

P

p

t 

[ms]

Pompa

ΔN

0

próg 
generacji

stan równowagi

t

Inwersja obsadzeń

swobodna generacja

Q

Q

max

Q

min

t

Dobroć rezonatora

swobodna generacja

P

L

Impuls lasera

Metody realizacji modulacji dobroci rezonatora  

cd

Za pomocą modulatora Pockelsa

Wyjście 

impulsowe

Modulator 

Pockelsa

Sterowanie

Ośrodek czynny

Polaryzator

Lampa wyładowcza

Zasilacz

Czas zadziałania modulatora rzędu 

10

-10

s

Maksymalne moce rzędu 

MW

Impulsy 

nanosekundowe

Absorpcja ośrodka liniowego i nieliniowego 

τ

1

Gęstość mocy 

M

wiązki 

W/mm

2

Lokalna 

transmisja 

ośrodka

I

0

I

d

Dla ośrodka liniowego transmisja

(

)

d

exp

I

I

0

β

−

=

=

τ

gdzie 

β stały 

współczynnik absorpcji charakteryzujący stopień absorpcji 

ośrodka na jednostkę długości niezależnie od wartości padającej 

intensywności

s

0

M

M

1

+

β

=

β

W ośrodku z nieliniową absorpcją lokalny współczynnik absorpcji

gdzie

M 

gęstość mocy 

wiązki padającej

M

s

– stała zależna od ośrodka

Im większa wartość gęstości mocy

M

, 

tym mniejszy współczynnik

β

Lokalny współczynnik transmisji

β

−

=

τ 1

Absorpcja ośrodka liniowego i nieliniowego 

cd

Wyjaśnienie zjawiska

– model kwantowy 

0

1

I

0

I

Ośrodek dla małego 

I

0

w stanie równowagi 

mocno absorpcyjny

0

1

I

0

I

Ośrodek dla dużego 

I

0

w stanie równowagi 

niemal przezroczysty

Istnieją różne mechanizmy absorpcji (np. metale) i nie każdy ośrodek jest 

nieliniowy

Metody realizacji modulacji dobroci rezonatora  

cd

Z wykorzystaniem nieliniowej absorpcji -

migawka pasywna

Ośrodek 

nieliniowy

Emisja spontaniczna zmniejsza 

się absorpcję migawki -

wzrost 

dobroci rezonatora

Uruchomienie akcji laserowej

– migawka jest przeźroczysta 

maksymalna dobroć rezonatora

Na początku emisji spontanicznej 

migawka absorbuje –

niska 

dobroć rezonatora

Ośrodek czynny

Lampa wyładowcza

Zasilacz

Moment startu akcji laserowej regulowany stężeniem ośrodka nieliniowego

Zaleta:

brak aktywnego sterowania migawką

Wada: 

podgrzewanie ośrodka nieliniowego i jego parowanie

Parametry podobne jak z modulatorem Pockelsa 

impulsy nanosekundowe

Synchronizacja modów –

mode locking

Impulsy pikosekundowe

Wykorzystuje się interferencję

modów podłużnych modu 

TEM

00

przy zachowaniu tej 

samej fazy początkowej

λ

ν

Próg 
generacji

K+3

K+2

K+4

K+5

K+1

K+6

K

δλ

Interferuje 

N

modów 

(na rysunku 

N = 7

)

Rozkład pola dla modu

K

( )

(

)

[

]

z

k

t

i

exp

z

,

r

V

V

K

K

0

K

−

ω

=

gdzie 

V

0

(r,z)

jest zespoloną amplitudą uwzględniająca zmiany fazowe i 

amplitudowe jednakowe dla wszystkich modów

Założone przy tym, że intensywności i fazy początkowe wszystkich 

modów są jednakowe.

Zgodność faz będzie osiągana przez odpowiednią budowę lasera, natomiast 

założenie jednakowych intensywności jest częściowo usprawiedliwione i 

wynika raczej z prostoty rozważań

Synchronizacja modów 

cd

Laser generuje periodyczny zbiór impulsów 

Odległość między impulsami równa podwójnej długości rezonatora

Szerokość impulsu w mierze liniowej 

δz = 2d/N

– gdzie 

N

jest liczbą

interferujących modów podłużnych

Szerokość impulsu w mierze czasowej 

δt =  δz⋅n

p.

/c 

–

gdzie 

n

p

jest współczynnikiem załamania powietrza

Im więcej modów podłużnych, tym krótszy impuls. 

Oznacza to, że należy 

w tym celu wykorzystywać ośrodki laserowe

z szeroką linią widmową

Aby uzyskać impuls 

4.5 fs

(

rekordowe osiągnięcie

), co odpowiada 

szerokości 

δz = 1.35 μm

, dla lasera z rezonatorem 

d = 0.5 m

należy 

wykorzystać co najmniej 

N = 740000 modów podłużnych

Laser

t = const

z

2d

d

2d/N

Idea synchronizacji faz początkowych modów

Absorber nieliniowy 
migawka pasywna

d

z

2d

Ośrodek czynny

Migawka pasywna otwierana jest przez propagujące się impuls 

raz na dwie długości rezonatora

Idea synchronizacji faz początkowych modów

W wyniku interferencji impuls, który otwiera migawkę

odbity impuls

podział impulsu na 

zwierciadle

2d

Wydzielenie pojedynczego impulsu z jego zbioru

Modulator Pockelsa 
pod napięciem jako 
półfalówka

2d

Propagujący się zbiór 

impulsów liniowo 

spolaryzowanych

Zasilacz wysokiego 
napięcia

Płytka odbijająca światło spolaryzowane

a odbijająca polaryzację

Zogniskowany impuls 

wywołujący jonizację

Pojedynczy impuls

Półfalówka obraca płaszczyznę polaryzacji

fs = 10

-15

s

W próżni w km/s
c = 299 792.4562 ± 0.0011

≈ 3•10

14

μm/s

Rekordowy impuls 

≈ 4.5 fs

Kompresja impulsu przez samomodulację

fazową w kształtowanym światłowodzie

Tytanowy

OPA

Szerokość impulsu w próżni 

[

μm]

m

35

.

1

10

5

.

4

10

3

t

c

l

15

14

μ

=

⋅

⋅

⋅

≈

Δ

⋅

=

Δ

−

Samomodulacja w 

światłowodzie krzemionkowym

czas 

[fs]

-20       0       20

Photonics Spectra, luty 2000 

str. 100-102

OPA – optical parametric amplifier

Lasery barwnikowe

Tytanowy

Szeroko

ść

impulsu

Lata

Impuls skompresowany

OPA

Pomiar szerokości impulsu

OE magazine, październik 2001, str. 48

czas   [fs]

pole elektryczne

przesuw 

zwierciadła

kompensator dyspersji

optyczny element 

nieliniowy blokujący 

generację drugiej 

harmonicznej dla 

pojedynczego impulsu 

(zbyt niska moc)

czas opóźnienia  [fs] 

∝

przesuw zwierciadła  [

μm]

korelacja sygna

łów

Trwają prace w celu otrzymania impulsów attosekundowych w 

miękkim paśmie rentgenowskim

as = 10

-18

s

Osiągnięto impuls 

≈ 250 as 

OE Magazine, maj 2004, strony 18-22

Cel: sterowanie reakcjami chemicznymi