Призматический компрессор

Рисунок 1. Призменный компрессор. Красные линии представляют лучи с большей длиной волны, а синие линии — с более короткой длиной волны. Расстояние между красными, зелеными и синими компонентами длины волны после компрессора отображается в масштабе. Данная установка имеет положительную дисперсию.

Призменный компрессор — это оптическое устройство, используемое для сокращения продолжительности ультракороткого лазерного импульса с положительным чирпированием за счет придания разным компонентам длины волны разной временной задержки. Обычно он состоит из двух призм и зеркала. На рисунке 1 показана конструкция такого компрессора. Хотя дисперсия материала призмы приводит к тому, что компоненты разной длины волны перемещаются по разным путям, компрессор устроен таким образом, что все компоненты длины волны покидают компрессор в разное время, но в одном и том же направлении. Если компоненты лазерного импульса с разными длинами волн уже были разделены во времени, призменный компрессор может заставить их перекрываться друг с другом, тем самым вызывая более короткий импульс.

Призменные компрессоры обычно используются для компенсации дисперсии внутри Ti:сапфировых лазеров с синхронизацией моделей . Каждый раз, когда лазерный импульс внутри проходит через оптические компоненты внутри резонатора лазера, он растягивается. Призменный компрессор внутри резонатора может быть сконструирован таким образом, чтобы он точно компенсировал эту внутрирезонаторную дисперсию. Его также можно использовать для компенсации дисперсии ультракоротких импульсов вне лазерных резонаторов.

Призматическое сжатие импульсов было впервые представлено с использованием одной призмы в 1983 году Дителем и др. а импульсный компрессор с четырьмя призмами был продемонстрирован в 1984 году Форком и др. Дополнительные экспериментальные разработки включают импульсный компрессор на основе пары призм. и шестипризменный импульсный компрессор для полупроводниковых лазеров. Теория многопризменной дисперсии для сжатия импульсов была предложена в 1982 году Дуарте и Пайпером. распространен на вторые производные в 1987 г., и далее распространен на фазовые производные более высокого порядка в 2009 году.

Дополнительный компрессор, использующий большую призму с боковыми отражателями для обеспечения многопроходной схемы призмы, был представлен в 2006 году.

Принцип работы

Рисунок 2. Геометрия призменного компрессора

Рис. 3. Эффективная длина пути призменного компрессора с A = 100 мм, θ = 55° и α = 10°. Цвета соответствуют разным значениям B , где B = 67,6 мм означает, что луч почти не попадает на кончики обеих призм при показателе преломления 1,6. (Цвета не соответствуют цветам лучей на рисунке 1.)

Рисунок 4. Порядки дисперсии компрессора с парой призм из плавленого кварца при длине волны 780 нм. (р=2 - ГДД, р=3 - ТОД, р=4 - ФОД, р=5 - ФиОД, р=6 - СиОД, р=7 - СеОД, р=8 - ЭОД, р=9 - НОД, р = 10 - ТеОД)

Почти все оптические материалы, прозрачные для видимого света, имеют нормальную , или положительную, дисперсию: показатель преломления уменьшается с увеличением длины волны. Это означает, что более длинные волны проходят через эти материалы быстрее. То же самое относится и к призмам в призменном компрессоре. Однако положительная дисперсия призм компенсируется дополнительным расстоянием, которое более длинноволновые компоненты должны пройти через вторую призму. Это довольно тонкий баланс, поскольку более короткие волны проходят через воздух большее расстояние. Однако при тщательном выборе геометрии можно создать отрицательную дисперсию, которая сможет компенсировать положительную дисперсию от других оптических компонентов. Это показано на рисунке 3. Смещая призму П2 вверх и вниз, дисперсия компрессора может быть как отрицательной в районе показателя преломления n = 1,6 (красная кривая), так и положительной (синяя кривая). Дальность действия с отрицательной дисперсией относительно невелика, поскольку призму Р2 можно переместить вверх только на небольшое расстояние, прежде чем луч света вообще его не пропускает.

В принципе, угол α можно изменять для настройки дисперсионных свойств призменного компрессора. Однако на практике геометрия выбирается такой, чтобы падающий и преломленный лучи имели одинаковый угол на центральной длине волны сжимаемого спектра. Эта конфигурация известна как «угол минимального отклонения», и ее легче выравнивать, чем произвольные углы.

Показатель преломления типичных материалов, таких как стекло BK7, изменяется лишь на небольшую величину (0,01–0,02) в пределах нескольких десятков нанометров , охватываемых ультракоротким импульсом. В пределах практического размера призменный компрессор может компенсировать разницу в длине пути между компонентами длины волны только на несколько сотен микрон. Однако при использовании материала с большим показателем преломления (например, SF10 , SF11 и т. д.) компенсационное расстояние можно увеличить до уровня мм. Эта технология успешно использовалась внутри резонатора фемтосекундного лазера для компенсации кристалла Ti:сапфира и снаружи для компенсации дисперсии, вносимой другими элементами. Однако дисперсию высокого порядка будет вносить сам призменный компрессор, а также другие оптические элементы. Его можно исправить тщательным измерением ультракороткого импульса и компенсировать фазовые искажения. MIIPS — это один из методов формирования импульсов , который позволяет автоматически измерять и компенсировать дисперсию высокого порядка. Как запутанная версия формирование импульса, конечное зеркало иногда наклоняется или даже деформируется, допуская, что лучи не идут назад по тому же пути или расходятся.

На рисунке 4 представлены характеристики порядков дисперсии призменного компрессора из плавленого кварца в зависимости от глубины внедрения первой призмы, обозначенной как $\ell _{1}$, для лазерных импульсов с центральной длиной волны $780{\text{ nm}}$ и спектральная полоса пропускания $\Delta \lambda =30{\text{ nm}}$. В оценке используется оптический формализм Ла-Лагерра — обобщенная формулировка высших порядков дисперсии. Компрессор оценивается под углом Брюстера для разделения $L=30{\text{ cm}}$ между призмами глубина вставки второй призмы $\ell _{2}={\text{1 mm}}$ на минимальной длине волны $\lambda _{min}$, а угол при вершине $\alpha =69.06^{\circ }$ для призм из кварцевого стекла.

Теория дисперсии

Угловая дисперсия обобщенных призматических решеток, применимая к сжатию лазерных импульсов, может быть точно рассчитана с использованием теории многопризменной дисперсии . В частности, дисперсия, ее первая производная и вторая производная определяются выражениями

$\nabla _{n}\phi _{2,m}=H_{2,m}+(M^{-1}){\bigg (}H_{1,m}\pm \nabla _{n}\phi _{2,(m-1)}{\bigg )}$

$\nabla _{n}^{2}\phi _{2,m}=\nabla _{n}H_{2,m}+(\nabla _{n}M^{-1}){\bigg (}H_{1,m}\pm \nabla _{n}\phi _{2,(m-1)}{\bigg )}+(M^{-1}){\bigg (}\nabla _{n}H_{1,m}\pm \nabla _{n}^{2}\phi _{2,(m-1)}{\bigg )}$

$\nabla _{n}^{3}\phi _{2,m}=\nabla _{n}^{2}H_{2,m}+(\nabla _{n}^{2}M^{-1}){\bigg (}H_{1,m}\pm \nabla _{n}\phi _{2,(m-1)}{\bigg )}+2(\nabla _{n}M^{-1}){\bigg (}\nabla _{n}H_{1,m}\pm \nabla _{n}^{2}\phi _{2,(m-1)}{\bigg )}+(M^{-1}){\bigg (}\nabla _{n}^{2}H_{1,m}\pm \nabla _{n}^{3}\phi _{2,(m-1)}{\bigg )}$

где

$\nabla _{n}=\partial /\partial n$

$\,M=k_{1,m}k_{2,m}$

$\,k_{1,m}=\cos \psi _{1,m}/\cos \phi _{1,m}$

$\,k_{2,m}=\cos \phi _{2,m}/\cos \psi _{2,m}$

$\,H_{1,m}=(\tan \phi _{1,m})/n_{m}$

$\,H_{2,m}=(\tan \phi _{2,m})/n_{m}$

Угловые величины определены в статье для теории дисперсии нескольких призм , а высшие производные даны Дуарте .

Сравнение с другими импульсными компрессорами

Самый распространенный другой импульсный компрессор основан на решетках (см. Усиление чирпированных импульсов ), которые могут легко создать гораздо большую отрицательную дисперсию, чем призменный компрессор (сантиметры, а не десятые доли миллиметра). Однако решеточный компрессор имеет потери не менее 30% из-за потерь дифракции и поглощения высшего порядка в металлическом покрытии решеток. Призменный компрессор с соответствующим просветляющим покрытием может иметь потери менее 2%, что делает его приемлемым вариантом внутри резонатора лазера . Более того, призменный компрессор дешевле решетчатого компрессора.

Другой метод сжатия импульсов использует чирпированные зеркала , которые представляют собой диэлектрические зеркала , спроектированные таким образом, что отражение имеет отрицательную дисперсию. Чирпированные зеркала сложно изготовить; более того, величина дисперсии довольно мала, а это означает, что лазерный луч должен отразиться несколько раз, чтобы достичь той же величины дисперсии, что и при использовании однопризменного компрессора. Это означает, что его сложно настроить. С другой стороны, дисперсия компрессора с чирпированным зеркалом может иметь определенную кривую дисперсии, тогда как призменный компрессор предлагает гораздо меньшую свободу. Компрессоры с чирпированным зеркалом используются в приложениях, где необходимо сжимать импульсы с очень широкой полосой пропускания.

См. также

• Усиление чирпированных импульсов
• Ти: сапфировый лазер
• Блокировка модели
• Ультракороткий импульс
• MIIPS — метод калибровки и коррекции искажений высокого порядка фемтосекундного лазерного импульса.
• Теория многопризменной дисперсии