Средства измерений Приборы и методы измерений, № 2 (5), 2012 15 УДК 621.373.826 СИСТЕМА РЕГЕНЕРАТИВНОГО УСИЛЕНИЯ ФЕМТОСЕКУНДНЫХ ЛАЗЕРНЫХ ИМПУЛЬСОВ НА ОСНОВЕ КРИСТАЛЛА Yb3+:KGd(WO4)2 С ДИОДНОЙ НАКАЧКОЙ Руденков А.С., Кисель В.Э., Гулевич А.Е., Кулешов Н.В. НИЦ Оптических материалов и технологий БНТУ, г. Минск, Республика Беларусь Представлена система регенеративного усиления фемтосекундных лазерных импульсов, позволяющая получать лазерные импульсы с пиковой мощностью >1 ГВт и длительно- стью около 330 фс при частоте следования 1–10 кГц. Данная система предназначена для использования в спектроскопии методом возбуждения-зондирования с высоким времен- ным разрешением, а также других приложениях, требующих высокой пиковой мощно- сти и частоты повторения импульсов, в частности для накачки оптических парамет- рических генераторов света с целью получения фемтосекундных импульсов в ИК- области спектра. (E-mail: Alex_Electron@bk.ru) Ключевые слова: регенеративный усилитель, фемтосекундные импульсы, диодная накачка, уси- ление чирпированных импульсов. Введение В последние десятилетия наблюдается зна- чительный прогресс в области лазеров ультра- коротких импульсов. Фемтосекундные лазеры становятся более компактными, надежными и коммерчески доступными. Перечень применений ультракоротких импульсов быстро расширяется и требования, предъявляемые к современным ла- зерным системам, становятся более высокими. Большинство современных лазерных систем, ис- пользуемых для спектроскопии высокого времен- ного разрешения методом возбуждения-зондиро- вания, используют усиление чирпированных им- пульсов [1]. Это позволяет увеличить энергию ультракоротких импульсов (УКИ) с наноджоуле- вого уровня до микро- и миллиджоулевого диа- пазона. Для увеличения скорости накопления ре- зультатов требуются частоты повторения им- пульсов более 1 кГц, что легко реализуется в си- стемах усиления УКИ на иттербий-содержащих материалах [2]. Материалы, легированные иона- ми Yb3+, обладают интенсивными полосами по- глощения в области 980 нм и широкими полоса- ми усиления, что необходимо для получения им- пульсов фемтосекундной длительности. В каче- стве источников накачки используются коммер- чески доступные InGaAs лазерные диоды, имею- щие большой диапазон выходных мощностей (до нескольких кВт) в непрерывном режиме. Струк- тура энергетических уровней иона Yb3+ исклю- чает потери, связанные с поглощением из воз- бужденного состояния, ап-конверсией, концен- трационным тушением люминесценции [3]. Низ- кий квантовый дефект (разность энергий квантов накачки и генерации) обеспечивает низкое тепло- выделение в активном элементе (длина волны на- качки 980 нм, генерации – 1020–1050 нм). Целью данной работы было создание ком- пактной системы регенеративного усиления уль- тракоротких лазерных импульсов с высокими частотами следования (до 10 кГц), высокой энер- гией импульсов (до 360 мкДж), малой длительно- стью импульсов (около 330 фс), использующей в качестве источников накачки коммерчески до- ступные, экономичные InGaAs лазерные диоды. Система регенеративного усиления В данной работе детально рассмотрены экс- периментальные результаты разработки системы регенеративного усиления фемтосекундных ла- зерных импульсов на кристалле Yb3+:KGd(WO4)2 (Yb:KGW) с накачкой InGaAs лазерными диода- ми в области 980 нм. Схема разработанной си- стемы усиления УКИ представлена на рисунке 1. Цуг УКИ из задающего генератора 1 попада- ет в селектор импульсов 3, который снижает ча- Средства измерений 16 Приборы и методы измерений, № 2 (5), 2012 стоту следования импульсов. Для предотвраще- ния обратного отражения излучения в задающий генератор, в схеме предусмотрен изолятор 2, ос- нованный на эффекте Фарадея. Растяжение се- лектированного импульса во времени осуществ- ляется в стретчере 4. Затем растянутый во време- ни импульс попадает в усилитель 6. Развязка входного и выходного импульсов осуществляет- ся изолятором Фарадея 5. Сокращение длитель- ности усиленного импульса осуществляется в компрессоре лазерных импульсов 7. Рассмотрим детально параметры отдельных узлов системы. В качестве источника УКИ используется Yb 3+ :KY(WO4)2 (Yb:KYW) лазер с пассивной синхронизацией мод. Выходные параметры ла- зера представлены в таблице 1. Рисунок 1 – Схема регенеративного усилителя: 1 – задающий лазер; 2, 5 – изоляторы Фарадея; 3 – селектор им- пульсов; 4 – стретчер; 6 – усилитель; 7 – компрессор; 8 – измерительное оборудование Таблица 1 Характеристики выходного излучения Yb:KYW лазера Энергия им- пульса, нДж Длительность импульса, фс Частота следо- вания импуль- сов, МГц Средняя выходная мощность, Вт М2 Спектральная ширина им- пульса, нм ΔυΔτ >15 <150 70 >1 <1,1 >8 ≈0,32 Автокорреляционная функция и спектр УКИ Yb:KYW лазера представлены на рисун- ках 2 и 3 соответственно. Лазер обеспечивает близкие к спектрально-ограниченным импуль- сы (ΔυΔτ ≈ 0,32). Для снижения частоты следования им- пульсов перед усилением используется селек- тор импульсов на основе ячейки Поккельса на кристалле ВВО, установленной по схеме чет- вертьволновой пластинки. Частота селектиро- ванных импульсов может изменяться от 1 до 10 кГц. Контраст селектора импульсов соста- вил более 103. Для снижения пиковой мощности УКИ пе- ред усилением использовался стретчер на осно- ве дифракционных решеток, собранный по схе- Средства измерений Приборы и методы измерений, № 2 (5), 2012 17 ме Мартинеса [4]. В схеме использовалась ди- фракционная решетка 1800 штр/мм. Габаритные размеры стретчера не превышали 200×100 мм2 при коэффициенте растяжения около 103. Рас- четная длительность импульса определялась по выражению [5]: , 2 cos 2 2 )(4 cd mxf где f – фокусное расстояние линзы, м; x – рассто- яние между линзой и решеткой, м; m – порядок дифракции; λ – длина волны, м; с – скорость све- та, м/с; d – период дифракционной решетки, м; θ – угол дифракции для центральной длины вол- ны, рад; Δλ – ширина спектра импульса на полу- высоте, м. Измеренная длительность импульса по- сле стретчера составила 150 пс, что находится в хорошем согласовании с расчетным значе- нием 155 пс. Автокорреляционная функция растянутого импульса представлена на ри- сунке 4. На рисунке 5 представлена схема резонато- ра усилителя. В качестве активной среды ис- пользовался кристалл Yb:KGW толщиной 5 мм. Для продольной накачки активного элемента применялся лазерный InGaAs диод мощностью 25 Вт с волоконным выходом, диаметр волокна 100 мкм. Для получения максимального усиле- ния реализовано до 65 проходов излучения по резонатору. Рисунок 2 – Автокорреляционная функция усиливае- мого импульса Рисунок 3 – Спектр усиливаемого импульса Рисунок 4 – Автокорреляционная функция растянутого импульса Рисунок 5 – Схема резонатора усилителя Средства измерений 18 Приборы и методы измерений, № 2 (5), 2012 Рисунок 6 демонстрирует изменение энергии усиливаемого импульса в резонаторе в зависимо- сти от числа обходов по резонатору. Рисунок 6 – Энергия импульса в резонаторе усили- теля (1) и результирующий импульс на выходе уси- лителя (2) После усиления лазерный импульс сжи- мался в компрессоре. Компрессор собран по схе- ме Мартинеса с двумя дифракционными решет- ками 1800 штр/мм. На рисунке 7 показана авто- корреляционная функция усиленного импульса. Длительность сжатого импульса составила око- ло 330 фс. Зависимость энергии импульса и средней выходной мощности от частоты следо- вания показана на рисунке 8. Рисунок 7 – Автокорреляционная функция усилен- ного импульса Рисунок 8 – Зависимость энергии импульса (1) и средней выходной мощности (2) от частоты следо- вания Средняя выходная мощность при частоте следования импульсов 10кГц составила более 2Вт. Пространственный профиль выходного из- лучения был близок к дифракционно-ограни- ченному с параметром качества M2 < 1,1. Заключение Разработанная система усиления позволяет получать импульсы фемтосекундной длитель- ности с энергией до 360 мкДж при частоте сле- дования 1–10 кГц. При длительности импульса около 330 фс максимальная пиковая мощность достигала более 1 ГВт. Система может исполь- зоваться для спектроскопии быстропротекаю- щих оптических процессов с высоким времен- ным разрешением методом возбуждения-зонди- рования, а также для накачки оптических пара- метрических генераторов и усилителей света для получения фемтосекундных импульсов в ИК-области спектра. Список использованных источников 1. Strickland, D. Compression of amplified chirped optical pulses / D. Strickland, G. Mourou // Opt. Comm. – 1985. – Vol. 56, № 3. – P. 219–221. 2. Delaigue, M. 300 kHz femtosecond Yb:KGW re- generative amplifier / M. Delaigue [et al.] // CLEO, Technical Digest. – 2006. – paper CWN3. 3. DeLoach, L.D. Evaluation of absorption and emission properties of Yb 3+ doped crystals for la- ser applications / DeLoach L.D. [et al.] // IEEE Journal of Q. Electron. – 1993. – Vol. 29, № 4. – P. 1179–1191. Средства измерений Приборы и методы измерений, № 2 (5), 2012 19 4. Martínez, O.E. Negative group-velocity disper- sion using refraction / O.E. Martínez [et al.] // J. Opt. Soc. Am. A – 1984. – Vol. 10. – P. 1003. 5. Ruiz de la Cruz, A. Multi-pass confocal ultrashort pulse amplifier / A. Ruiz de la Cruz, R. Rangel- Rojo // Revista Mexicana de Física – 2005. – Vol. 51. – P. 488–493. Rudenkov A.S., Kisel V.E., Gulevich A.E., Kuleshov N.V. Diode pumped Yb 3+ :KGd(WO4)2 regenerative amplification system of femtosecond laser pulses The regenerative amplification system of femtosecond laser pulses, delivering a laser pulses with peak power more then 1 GW and duration <330 fs at repetition rates 1–10 kHz is presented. This system is appli- cable in pump-probe spectroscopy with high temporal resolution, as well as for pumping of optical parametric oscillators for generation of infrared femtosecond pulses. (E-mail: Alex_Electron@bk.ru) Key words: regenerative amplifier, femtosecond pulses, diode pumping, chirped pulse amplification. Поступила в редакцию 01.08.2012.