Pikosekundové pevnolátkové lasery Prof. Ing. Václav Kubeček, DrSc KFE FJFI ČVUT Praha Přednáška č.2 Laserové systémy Revize 26.2.2010

Obsah přednášky Základní vlastnosti laserových impulsů Princip synchronizace módů a způsoby realizace Příklady laserů se synchronizací plus nové metody: Výbojkou buzený laser s pasivní synchronizací módů Pevnolátkové saturovatelné absorbéry Diodově pulzně buzený ps systém Diodově kontinuálně buzený ps systém

Pikosekundové laserové impulsy Kontinuální buzení Impulzní buzení Ps a fs impulsy-mode locking

Atraktivita krátkých impulsů Délka světelného balíku ve vakuu: 1 ns ~ 30 cm 1 ps ~0.3 mm 1 fs ~ 0.3 um Rychlost šíření c Výkon pro energii 1 J v impulsu 1 ns ~ 1 GW 1 ps ~ 1 TW 1 fs ~ 1 PW

Dosažené nejkratší délky impulsů v jednotlivých letech

Popis utrakrátkých impulsů

Charakteristiky světelných impulsů

Spektrální a časové charakteristiky

Metoda generace-synchronizace podélných módů

Synchronizace módů

Model synchronizace módů

Základní charakteristiky

Příklady laserů se synchronizací módů

Metody synchronizace módů Aktivní – pomocí modulátoru řízeného vnějším polem Pasivní – pomocí nelinearity v rezonátoru

Aktivní synchronizace módů

Pasivní synchronizace módů

Příklad - Klasický pulzní laser s pasivní synchronizací módů pomocí barviva

Nové saturovatelné absorbéry: Polovodičové a krystaly . Výhody polovodičových absorbérů Volbou přípravy lze ovlivňovat základní paramety a tak vytvářet elementy pro danou aplikaci neomezená životnost

Polovodičový absorbér Semiconductor mirror with QW (MQW) 20pairs GaAs 400 um InGaAs Substrate QW 15 nm AlAs 90.5nm 76.2nm Bragg Mirror 61 nm Run#870,MQ2 R>97% GaAs Al As ( n= 2.94) LT InGaAs ( n= 3.2) LT Ga As ( n=3.49) Naše elementy: Center for High Technology Materials (CHTM) , University of New Mexico, Albuquerque, USA

ALL SOLID STATE MODE-LOCKING Nd:YAG, MQW 760 D, TEM00 E train = 1.5 mJ, pulse width 50 ps

Otevírání dutiny (cavity dumping): Selekce jednoho impulzu ze sledu Nd:YAG Pol PC1 M2 MQW PC2 M1

Další pevnolátkové absorbéry: krystal Cr:YAG

Nové trendy v buzení : Pevnolátkové lasery s diodovým buzením Výhody vysoká účinnost (selektivní buzení) malé rozměry a příkon dlouhá životnost

Pulsed passively mode locked operation of diode pumped Nd:GdVO4 and Nd:YVO4 in a bounce geometry Václav Kubeček*, Michal Drahokoupil, Helena Jelínková Czech Technical University, Faculty of Nuclear Sciences and Physical Engineering Brehova 7, 115 19 Prague 1, Czech Republic Andreas Stintz, Jean-Claude Diels, University of New Mexico, Department of Physics and Astronomy and Center for High Technology Materials, 800 Yale blvd. NE, Albuquerque, 87131 New Mexico, USA Photonics West 08: Paper 6871-25

Kvazikontinuální buzení – pulzní systém rezonátor v režimu klouzavého dopadu. M1 - flat rear mirror, M2 - folding mirror (concave 1-m radius of curvature), M3- flat and wedged output coupler with reflectivity of 30%, LD – laser diode array, AM – active medium slab, SA– saturable absorber, WP-wave plate

Prostorové charakteristiky laserové diody o pulzním výkonu 100 W Dependence of the size in vertical direction of the pumping beam on the distance from laser diode (left). The figure on right side right shows beam profile of the pump beam at distance 17 cm from the diode.

Nd:YVO4 laser s pasivní synchronizací módů Threshold : 70A, 70A – 82A Stable single train 80A: Ē= 230 ± 20 μJ (250 šotů:

Passively mode-locked operation Nd:GdVO4 I = 46 A Threshold 41 A, < 46 A single train 45 A: Ē= 185 ± 7 μJ I = 60 A

MQW saturable absorber in laser resonator

Active medium and laser diode

Lasery s kontinuálním buzením

20 W laserová dioda s vláknem a zdrojem

Experimentální sestava laseru LD OS M2 M1 Nd:YAG M5 M4 M3 Schéma diodově čerpaného Nd:YAG laseru – saturovatelný absorbér integrovaný do zrcadla

Počítačový návrh rezonátoru laseru Vzdálenost zrcadel ovlivňuje pole v rezonátoru Schéma rozložení pole v rezonátoru – poloměr základního příčného módu v krystalu (100um), na zrcadlech a na absorbéru (30 um)

Oscilogramy výstupních impulsů

Experimentální výsledky – výkon laseru 140 mW. Závislost výstupního výkonu laseru v jednom svazku (za zrcadlem M3) na čerpacím výkonu.

Experimentální výsledky – synchronizace modů Q-ML CW-ML Oscilogramy generovaného záření v režimu Q-spínané a kontinuální synchronizace modů

Experimentální výsledky – autokorelační měření V režimu kontinuální synchronizace modů jsme generovali 9 ps impulsy, výkon 2 x 140 mW.

FemtosekundovÉ LASERY

Pasivní synchronizace módů pomocí optického Kerrova jevu (KLM)

Nejkratší impulsy : Titan:safírový laser Délka 5 Nejkratší impulsy : Titan:safírový laser Délka 5.4 fs = 2 optické cykly