Лазеры сверхкоротких импульсов (продолжение)

Содержание

Слайд 2

СКИ получаются при синхронизации аксиальных мод Обычные SA - слишком медленно релаксируют

СКИ получаются при синхронизации аксиальных мод

Обычные SA - слишком медленно релаксируют

Слайд 3

Быстро релаксирующие нелинейные устройства «Керровская линза» (Kerr Lens Mode locking) 02.04.2015

Быстро релаксирующие нелинейные устройства

«Керровская линза» (Kerr Lens Mode locking)

02.04.2015

Таким образом, в

нашем распоряжении имеется насыщающийся поглотитель с нужными свойствами.
Однако прежде, чем переходить к описанию конструкции и работы лазеров СКИ, рассмотрим некоторые важные условия , позволяющие достичь в резонаторе предельно короткие длительности импульсов, определяемые их спектральной шириной (Fourier-determined pulse duration).
Слайд 4

Для получения СКИ нужно складывать ЭМ поля с синхронизированными эквидистантными частотами

Для получения СКИ нужно складывать ЭМ поля с синхронизированными эквидистантными частотами

02.04.2015

Из-за

наличия дисперсии n(f) оптическая длина резонатора становится зависимой от частоты l ? l(f) ,
и эквидистантность генерирующих аксиальных мод нарушается ? результирующий импульс удлиняется
Слайд 5

Дисперсия (1) Наличие дисперсии приводит к расплыванию волнового пакета при его распространении в среде

Дисперсия (1)

Наличие дисперсии приводит к расплыванию волнового пакета при его распространении

в среде
Слайд 6

Дисперсия (2) Наличие дисперсии приводит к расплыванию волнового пакета при его

Дисперсия (2)

Наличие дисперсии приводит к расплыванию волнового пакета при его распространении

в среде

Пусть вдоль оси x распространяются две плоских волны:

Их сумма есть:

Слайд 7

Дисперсия (4) Наличие дисперсии приводит к расплыванию волнового пакета при его распространении в среде

Дисперсия (4)

Наличие дисперсии приводит к расплыванию волнового пакета при его распространении

в среде
Слайд 8

Дисперсия (4) Наличие дисперсии приводит к расплыванию волнового пакета при его

Дисперсия (4)

Наличие дисперсии приводит к расплыванию волнового пакета при его распространении

в среде

В вакууме:

Групповая скорость - движение max огибающей – м.б.найдена из условия постоянства фазы огибающей

Слайд 9

Дисперсия (4) Наличие дисперсии приводит к расплыванию волнового пакета при его

Дисперсия (4)

Наличие дисперсии приводит к расплыванию волнового пакета при его распространении

в среде

В вакууме:

Групповая скорость - движение max огибающей – м.б.найдена из условия постоянства фазы огибающей

Если дисперсия есть, то фазовые скорости различны:

Слайд 10

Дисперсия (4) В вакууме: Если дисперсия есть, то фазовые скорости различны:

Дисперсия (4)

В вакууме:

Если дисперсия есть, то
фазовые скорости различны:

Слайд 11

Дисперсия (7) Наличие дисперсии приводит к расплыванию волнового пакета при его распространении в среде

Дисперсия (7)

Наличие дисперсии приводит к расплыванию волнового пакета при его распространении

в среде
Слайд 12

Дисперсия (8) Порядки дисперсии Приводит к линейному чирпу

Дисперсия (8)

Порядки дисперсии

Приводит к линейному чирпу

Слайд 13

Дисперсия (9) Задачки: определить дисперсию фазовой задержки (дисперсию групповых скоростей, ДГС)

Дисперсия (9)

Задачки: определить дисперсию фазовой задержки (дисперсию групповых скоростей, ДГС)

для ряда материалов и длин волн (см. табл.)
Данные о св-вах материалов найти в Интернете (напр., http://refractiveindex.info ;
для форстерита http://tf.nist.gov/general/pdf/903.pdf )
Слайд 14

Дисперсия (10)

Дисперсия (10)

Слайд 15

Призменный регулятор ДГС (1) 02.04.2015

Призменный регулятор ДГС (1)

02.04.2015

Слайд 16

Призменный регулятор ДГС (2) 02.04.2015

Призменный регулятор ДГС (2)

02.04.2015

Слайд 17

Призменный регулятор ДГС (3) 02.04.2015

Призменный регулятор ДГС (3)

02.04.2015

Слайд 18

Призменный регулятор ДГС (4) 02.04.2015 При L>14,9 cm получаем отрицательное значение дисперсии групповой скорости

Призменный регулятор ДГС (4)

02.04.2015

При L>14,9 cm получаем отрицательное значение дисперсии групповой

скорости
Слайд 19

Регулятор ДГС на основе дифракционных решеток 02.04.2015

Регулятор ДГС на основе дифракционных решеток

02.04.2015

Слайд 20

Регулятор ДГС на основе «чирпированных зеркал» 02.04.2015

Регулятор ДГС на основе «чирпированных зеркал»

02.04.2015

Слайд 21

Регулятор ДГС на основе «чирпированных зеркал» 02.04.2015

Регулятор ДГС на основе «чирпированных зеркал»

02.04.2015

Слайд 22

Регулятор ДГС на основе «чирпированных зеркал» 02.04.2015 LIGHT

Регулятор ДГС на основе «чирпированных зеркал»

02.04.2015

LIGHT

Слайд 23

02.04.2015 Чирпированные зеркала часто применяются в комбинации с тонкопленочным быстрорелаксирующим полупроводниковым

02.04.2015

Чирпированные зеркала часто применяются в комбинации с тонкопленочным быстрорелаксирующим полупроводниковым насыщающимся

поглотителем (SEmiconductor Saturable Absorber Mirror = SESAM)
Слайд 24

SEemiconductor Saturable Absorber Mirror (SESAM) 02.04.2015

SEemiconductor Saturable Absorber Mirror (SESAM)

02.04.2015

Слайд 25

SESAM как комбинация п/п поглотителя с «чирпированным» зеркалом 02.04.2015

SESAM как комбинация п/п поглотителя с «чирпированным» зеркалом

02.04.2015

Слайд 26

SESAM как комбинация п/п поглотителя с «чирпированным» зеркалом 02.04.2015

SESAM как комбинация п/п поглотителя с «чирпированным» зеркалом

02.04.2015

Слайд 27

Таким образом, в резонаторах лазеров СКИ дисперсия должна быть скомпенсирована. Диспергирующая среда Регулятор дисперсии

Таким образом, в резонаторах лазеров СКИ дисперсия должна быть скомпенсирована.

Диспергирующая

среда

Регулятор дисперсии

Слайд 28

SESAM как комбинация п/п поглотителя с «чирпированным» зеркалом 02.04.2015

SESAM как комбинация п/п поглотителя с «чирпированным» зеркалом

02.04.2015

Слайд 29

Лекция 12 Лазеры сверхкоротких импульсов (продолжение)

Лекция 12

Лазеры сверхкоротких импульсов (продолжение)

Слайд 30

Самомодуляция фазы 02.04.2015

Самомодуляция фазы

02.04.2015

Слайд 31

Самомодуляция фазы (2) 02.04.2015

Самомодуляция фазы (2)

02.04.2015

Слайд 32

Самомодуляция фазы (3) 02.04.2015

Самомодуляция фазы (3)

02.04.2015

Слайд 33

Самомодуляция фазы (4) «Игра ДГС и ФСМ» 02.04.2015

Самомодуляция фазы (4)

«Игра ДГС и ФСМ»

02.04.2015

Слайд 34

Самомодуляция фазы (5) Таким образом, уширение импульса, вызванное самомодуляцией фазы, следует

Самомодуляция фазы (5)

Таким образом, уширение импульса, вызванное самомодуляцией фазы, следует компенсировать

настройкой дисперсии групповой скорости.
В результате – режим генерации солитонов.
Этот режим полезен для передачи сообщений через волоконные линии связи.

*

Слайд 35

Солитоны *

Солитоны

*

Слайд 36

Temporal solitons (1) *

Temporal solitons (1)

*

Слайд 37

Temporal solitons (2) *

Temporal solitons (2)

*

Слайд 38

Temporal solitons (3) *

Temporal solitons (3)

*

Слайд 39

N. Akhmediev, A. Ankiewicz, and M. Taki, “Waves that appear from

N. Akhmediev, A. Ankiewicz, and M. Taki, “Waves that appear from

nowhere and disappear without a trace”, Physics Letters, A 373 (2009) 675–678

*

А вот если баланс нелинейных и линейных свойств среды не соблюдается, то в морях и океанах могут появляться «волны-убийцы» -- и исчезать…

Слайд 40

Места, где со спутников такие волны наблюдались *

Места, где со спутников такие волны наблюдались

*

Слайд 41

* Оптический эффект Керра→ самофокусировка: n(I)=n0+n2I, n2>0 Форма не изменяется при

*

Оптический эффект Керра→ самофокусировка: n(I)=n0+n2I, n2>0

Форма не изменяется при распространении
Vp(soliton) <

Vp(I≅0)
Плоский волновой фронт
Нелинейный фазовый сдвиг ∝ z (не очевидно, но так)

Солитон

Дифр. Расплыв.

Фазовый фронт

Spatial solitons: a game of self-focusing and diffraction

Слайд 42

Возвращаясь к конструкции резонаторов лазеров СКИ: * При выборе параметров регулятора

Возвращаясь к конструкции резонаторов лазеров СКИ:

*

При выборе параметров регулятора дисперсии

следует учитывать эффект самомодуляции фазы
Слайд 43

Усиление сверхкоротких импульсов (1) Рассмотрим две задачи для усилителя: Усилить не

Усиление сверхкоротких импульсов (1)

Рассмотрим две задачи для усилителя:
Усилить не саморазрушившись
Постараться еще

импульс подсократить.

Оказывается, обе эти задачи можно решить, использовав «игру ДГС и ФСМ»

*

Слайд 44

Усиление сверхкоротких импульсов (2) *

Усиление сверхкоротких импульсов (2)

*

Слайд 45

Усиление сверхкоротких импульсов (3) *

Усиление сверхкоротких импульсов (3)

*

Слайд 46

Усиление сверхкоротких импульсов (4) *

Усиление сверхкоротких импульсов (4)

*

Слайд 47

Усиление сверхкоротких импульсов (5) *

Усиление сверхкоротких импульсов (5)

*

Слайд 48

Усиление сверхкоротких импульсов (5) Разумеется, если на входе импульс достаточно короткий,

Усиление сверхкоротких импульсов (5)

Разумеется, если на входе импульс достаточно короткий, а

усилительная среда имеет достаточно широкий спектр, то необходимости в уширении спектра путем ФСМ может не возникнуть.
Сохраним только идею:
- растянуть импульс во времени с чирпированием – «безопасно усилить» его в усилителе энергии – компрессировать вплоть до спектрально-ограниченной длительности

*

Слайд 49

Усиление сверхкоротких импульсов (6) *

Усиление сверхкоротких импульсов (6)

*

Слайд 50

Усиление сверхкоротких импульсов (8) *

Усиление сверхкоротких импульсов (8)

*

Слайд 51

Усиление сверхкоротких импульсов (8) *

Усиление сверхкоротких импульсов (8)

*

Слайд 52

Измерение длительности сверхкоротких импульсов (1) Метод двухфотонной люминесценции *

Измерение длительности сверхкоротких импульсов (1)

Метод двухфотонной люминесценции

*

Слайд 53

Измерение длительности сверхкоротких импульсов (2) Автокорреляционный метод Интенсивность сигнала второй гармоники

Измерение длительности сверхкоротких импульсов (2)

Автокорреляционный метод

Интенсивность сигнала второй гармоники пропорциональна

произведению интенсивностей перекрывающихся импульсов

*

Слайд 54

Измерение длительности сверхкоротких импульсов (2) Автокорреляционный метод Интенсивность сигнала второй гармоники

Измерение длительности сверхкоротких импульсов (2)

Автокорреляционный метод

Интенсивность сигнала второй гармоники пропорциональна

произведению интенсивностей перекрывающихся импульсов

*

Слайд 55

Измерение длительности сверхкоротких импульсов (3) Автокорреляционный метод Истинная форма импульса остается

Измерение длительности сверхкоротких импульсов (3)

Автокорреляционный метод

Истинная форма импульса остается неизвестной.

Для оценки длительности делаются разумные предположения о его форме :

*

Слайд 56

Измерение длительности сверхкоротких импульсов (3) Автокорреляционный метод Истинная форма импульса остается

Измерение длительности сверхкоротких импульсов (3)

Автокорреляционный метод

Истинная форма импульса остается неизвестной.

Для оценки длительности делаются разумные предположения о его форме :

*

Слайд 57

Измерение длительности сверхкоротких импульсов (3) Истинная форма импульса остается неизвестной. Для

Измерение длительности сверхкоротких импульсов (3)

Истинная форма импульса остается неизвестной. Для оценки

длительности делаются разумные предположения о его форме :

Возможно ли восстановить истинную форму импульса? –
Да, если одновременно регистрировать и временную, и спектральную компоненты

*

Гвидо д’Ареццо, Гви́до Арети́нский (итал. Guido d'Arezzo, лат. Guido Aretinus) (ок. 990 — ок. 1050)

Слайд 58

Измерение длительности сверхкоротких импульсов (4) Развитие автокорреляционных методов: Frequency Resolved Optical

Измерение длительности сверхкоротких импульсов (4)

Развитие автокорреляционных методов: Frequency Resolved Optical Gating

(FROG)

Если известно распределение во времени спектральных компонентов сигнала, то он может быть полностью восстановлен – основа time-frequency domain методов измерения.

*

Слайд 59

Измерение длительности сверхкоротких импульсов (5) Развитие автокорреляционных методов: Frequency Resolved Optical Gating (FROG) *

Измерение длительности сверхкоротких импульсов (5)

Развитие автокорреляционных методов: Frequency Resolved Optical Gating

(FROG)

*

Слайд 60

Измерение длительности сверхкоротких импульсов (6) Развитие автокорреляционных методов: Frequency Resolved Optical Gating (FROG) *

Измерение длительности сверхкоротких импульсов (6)

Развитие автокорреляционных методов: Frequency Resolved Optical Gating

(FROG)

*

Слайд 61

Измерение длительности сверхкоротких импульсов (7) Восстановление сигнала производится каким-либо итерационным алгоритмом

Измерение длительности сверхкоротких импульсов (7)

Восстановление сигнала производится каким-либо итерационным алгоритмом

В

SHG-FROG используется необходимость выполнения двух условий – соответствие экспериментальным данным, и связь Esig с измеряемым и стробирующим сигналами:

*

Слайд 62

Измерение длительности сверхкоротких импульсов (8) Восстановление сигнала производится каким-либо итерационным алгоритмом *

Измерение длительности сверхкоротких импульсов (8)

Восстановление сигнала производится каким-либо итерационным алгоритмом

*

Слайд 63

Измерение длительности сверхкоротких импульсов (8) Восстановление сигнала производится каким-либо итерационным алгоритмом *

Измерение длительности сверхкоротких импульсов (8)

Восстановление сигнала производится каким-либо итерационным алгоритмом

*

Слайд 64

Вопросы по курсу * 1 Nd:YAG как лазерная среда. Nd-содержащие среды

Вопросы по курсу

*

1 Nd:YAG как лазерная среда. Nd-содержащие среды (стекло, смешанные

гранаты, YLF4, YVO4). "Бесстоксовые" лазерные среды (Yb, Nd:YVO4, ...)
2 Er-содержащие среды. Среды, активированные ионами переходных металлов(Ti, Cr, Tm, Co, ...)
3 Усиление света (порог; насыщение; ASE; 3-и 4-уровневые среды; энергосъем в непрерывном/импульсном режиме)
4 Лазеры, работающие в непрерывном режиме и режиме свободной генерации (порог, КПД, оптимальное пропускание зеркал)
5 Лазеры, работающие в моноимпульсном режиме. Способы реализации. Типы модуляторов добротности. Энергетические характеристики
6 Лазеры, работающие в режиме синхронизации (самосинхронизации) мод. Способы реализации. Спектрально-ограниченные импульсы.
7 Лазеры СКИ. Роль времени релаксации затворов. Затворы на основе KLM. SESAM - принцип действия, основы конструкции.
8. Роль дисперсии при генерации и усилении сверхкоротких импульсов (СКИ)
9. Роль самомодуляции фазы при генерации и усилении сверхкоротких импульсов (СКИ)
10. Усиление сверхкоротких импульсов. Чирп, временнАя компрессия.
11. Измерение длительности сверхкоротких импульсов.