CZ305899B6 - Method of time synchronization of picoseconds and sub-picoseconds laser pulses and apparatus for making the same - Google Patents
Method of time synchronization of picoseconds and sub-picoseconds laser pulses and apparatus for making the same Download PDFInfo
- Publication number
- CZ305899B6 CZ305899B6 CZ2014-61A CZ201461A CZ305899B6 CZ 305899 B6 CZ305899 B6 CZ 305899B6 CZ 201461 A CZ201461 A CZ 201461A CZ 305899 B6 CZ305899 B6 CZ 305899B6
- Authority
- CZ
- Czechia
- Prior art keywords
- sub
- signal
- pulse
- polarization
- pump
- Prior art date
Links
Abstract
Description
Metoda a zařízení pro časovou synchronizaci pikosekundových a sub-pikosekundových laserových impulzůMethod and device for time synchronization of picosecond and sub-picosecond laser pulses
Oblast technikyField of technology
Vynález se týká metody a zařízení pro časovou synchronizaci pikosekundových a sub-pikosekundových laserových impulzů pomocí zpětné vazby založené na měření vzájemného zpoždění impulzů signálového a čerpacího laserového svazku s využitím jejich interakce v nelineárním prostředí.The invention relates to a method and apparatus for time synchronization of picosecond and sub-picosecond laser pulses by means of feedback based on measuring the mutual delay of the signal and pump laser beam pulses using their interaction in a non-linear environment.
Dosavadní stav technikyPrior art
Pro účely popisu předkládaného vynálezu v celém následujícím textu rozumíme:For the purposes of describing the present invention, the following text is understood throughout:
- Impulz = laserový impulz je krátký časově omezený impulz optického laserového záření, pikosekundový a sub-pikosekundový laserový impulz má délku trvání v rozsahu IxlO15 až 1x10 9 sekundy.- Pulse = laser pulse is a short time-limited pulse of optical laser radiation, picosecond and sub-picosecond laser pulse has a duration in the range Ix10 15 to 1x10 9 seconds.
- Svazek = laserový svazek je tvořen opakujícími se laserovými impulzy s definovanou frekvencí opakování generovanými jedním laserovým zdrojem (optickým generátorem). Laserový svazek je lineárně polarizován.- Beam = laser beam consists of repeating laser pulses with a defined repetition frequency generated by one laser source (optical generator). The laser beam is linearly polarized.
o Signálový laserový svazek je předmětem zesilování v navazujících optických systémech, přičemž jeho zesílení je požadovaným cílem.o The signal laser beam is subject to amplification in subsequent optical systems, its amplification being the desired goal.
o Čerpací laserový svazek je energetický svazek, jehož energie je využita k zesilování signálového svazku.o The pump laser beam is an energy beam whose energy is used to amplify the signal beam.
- Optický generátor je obecně generátor laserového záření různých vlnových délek, různé frekvence opakování či intenzity v jednotlivých laserových impulzech. Součástí optického generátoru je mimo jiné také optický rezonátor.- An optical generator is generally a generator of laser radiation of different wavelengths, different repetition frequencies or intensities in individual laser pulses. The optical generator also includes an optical resonator.
- Nelineární prostředí tvoří fyzikální prostředí, například pevná látka, kapalina, plyn, plazma a jejich směsi, jehož elektrická polarizace závisí nelineárně na intenzitě optického záření vstupujícího do prostředí.- A non-linear medium consists of a physical medium, such as a solid, liquid, gas, plasma and mixtures thereof, the electrical polarization of which depends non-linearly on the intensity of the optical radiation entering the medium.
- Nelineární optický jev pak je fyzikální jev, který vzniká při šíření optického záření nelineárním prostředím, přičemž řádem nelineárního optického jevu se považuje řád příslušného tenzoru susceptibility.- A nonlinear optical phenomenon is then a physical phenomenon that occurs during the propagation of optical radiation through a nonlinear environment, while the order of the nonlinear optical phenomenon is considered to be the order of the respective susceptibility tensor.
- Jev OPA (Optical parametric amplification) - nelineární optický jev, při kterém dochází k přelévání energie z čerpacího laserového svazku do signálového laserového svazku při současném vzniku svazku jalového. Jsou známy dva typy interakce OPA dle toho, zda spolu interagují stejné složky polarizace čerpacího a signálového svazku, přičemž polarizace svazku jalového je k nim ortogonální, nebo spolu interagují vzájemně ortogonální složky polarizace čerpacího a signálového svazku a následně polarizace svazku jalového je stejná jako polarizace vstupujícího čerpacího svazku.- OPA phenomenon (Optical parametric amplification) - a non-linear optical phenomenon in which energy is transferred from the pump laser beam to the signal laser beam with the simultaneous formation of a reactive beam. Two types of OPA interaction are known depending on whether the same polarization components of the pump and signal beams interact with each other, the polarization of the reactive beam is orthogonal to each other, or orthogonal components of the polarization of the pump and signal beam interact and the polarization of the reactive beam is the same as the polarization of the incoming beam. pumping bundle.
Jedna z větví vývoje laserové techniky se v poslední době soustředí na zvyšování výkonu laserových systémů. Způsobů jak toho dosáhnout je několik, od hledání úplně nových metod, materiálů a technologií, po optimalizaci využití stávajícího stavu techniky. To vede ke snahám o zvětšování aktivního prostředí, zefektivnění jeho výtěžnosti a řetězení zesilujících zařízení, se současným zkracováním jednotlivých impulzů v laserovém svazku a zvyšováním opakovači frekvence.One branch of the development of laser technology has recently focused on increasing the performance of laser systems. There are several ways to achieve this, from finding completely new methods, materials and technologies, to optimizing the use of the current state of the art. This leads to efforts to increase the active medium, streamline its recovery and chain the amplifying devices, while shortening the individual pulses in the laser beam and increasing the repeater frequency.
Silně zastoupenou skupinou vysoko-výkonových laserových systémů, jsou pevnolátkové lasery využívající postupného zesilování v aktivních nebo nelineárních prostředích. Jedním ze slibných uspořádání je systém využívající přenosu energie ze silnějšího laserového svazku čerpacího do svazku signálového pomocí nelineárního optického jevu OPA (Optical Parametric Amplificati on), na jehož základě funguje optický zesilovač OPCPA (Optical Parametric Chirped Pulze Amplification), který pracuje se spektrálně rozmítnutými signálovými impulzy. Tento typ zesilovače vyžaduje vysoce kvalitní překrytí čerpacího svazku a signálového svazku, respektive čerpacího energetického impulzu a signálového impulzu určeného k zesílení, a to jak v prostoru, tak v čase. V nelineárním prostředí pak dojde při splnění podmínek fázového synchronismu k přelití energie z čerpacího do signálového impulzu. Dokonalá prostorová a především časová synchronizace čerpacích a signálových laserových impulzů je pro využití tohoto jevu klíčová.A strongly represented group of high-power laser systems are solid-state lasers using gradual amplification in active or non-linear environments. One promising arrangement is a system that uses energy transfer from a stronger laser beam to a signal beam using a nonlinear optical phenomenon OPA (Optical Parametric Amplification on), which works on an optical amplifier OPCPA (Optical Parametric Chirped Pulse Amplification), which works with spectrally scattered signal impulses. This type of amplifier requires a high-quality overlap of the pump beam and the signal beam, or the pump energy pulse and the signal pulse to be amplified, respectively, both in space and in time. In a non-linear environment, energy is transferred from the pump to the signal pulse when the phase synchronism conditions are met. Perfect spatial and especially time synchronization of pumping and signal laser pulses is crucial for the use of this phenomenon.
Obecně jsou při použití dvou nezávislých optických generátorů možnosti jejich elektronické synchronizace v oblasti pikosekund a sub-pikosekund nedostatečné. V případě kratších impulzů než nanosekundových je třeba využít vzájemné optické vazby spouštění. S výhodou je možné signální i čerpací svazek odvodit ze společného širokopásmového laserového svazku, z jehož spektrálních složek je vytvořen jak signálový laserový impulz, tak po zesílení v laserovém zesilovači čerpací laserový impulz. K nepřesnostem ve vzájemném časování čerpacího a signálového impulzu dochází z důvodu diametrálně odlišných délek optických tras v jednotlivých typech optických generátorů pro dva typy (a dvě různé vlnové délky) svazků, dále kvůli vibracím optických prvků, jejich tepelné roztažnosti, změnám indexu lomu atd. Tyto jevy způsobují dodatečné časové rozladění impulzů, které následně vstupují do zesilovače OPCPA a jedy třeba cíleně upravit jejich vzájemné zpoždění.In general, when using two independent optical generators, the possibilities of their electronic synchronization in the area of picoseconds and sub-picoseconds are insufficient. In the case of pulses shorter than nanoseconds, it is necessary to use mutual optical coupling of the trigger. Advantageously, it is possible to derive both the signal and the pump beam from a common broadband laser beam, from the spectral components of which both the signal laser pulse and the pump laser pulse are generated after amplification in the laser amplifier. Inaccuracies in the mutual timing of the pumping and signal pulses occur due to diametrically different lengths of optical paths in different types of optical generators for two types (and two different wavelengths) of beams, due to vibrations of optical elements, their thermal expansion, refractive index changes, etc. These The phenomena cause an additional temporal detuning of the pulses, which subsequently enter the OPCPA amplifier, and the poisons need to be targeted to adjust their mutual delay.
Běžně se tohoto požadovaného zpoždění optických impulzů dosahuje pomocí zpožďovací linky ovládané pomocí elektronických prvků, přičemž samotné zpoždění je možné, za pomoci například piezzo-elektrických prvků, nastavit velmi přesně v řádu femtosekund. Problémem však je elektronické měření tohoto zpoždění a následná úprava tohoto nastavení, obvykle realizovaná zpětnou vazbou. V oblasti pikosekundových a femtosekundových laserových svazků se dále kromě obtíže s primární časovou synchronizací začínají také výrazně projevovat vlivy kvality a počtu odrazných ploch a prostředí, kterými laserové svazky procházejí, a které dále zvyšují nestabilitu nastavené synchronizace.Normally, this desired delay of the optical pulses is achieved by means of a delay line controlled by electronic elements, the delay itself being able to be set, with the aid of, for example, piezzo-electric elements, very precisely in the order of femtoseconds. However, the problem is the electronic measurement of this delay and the subsequent adjustment of this setting, usually implemented by feedback. In the area of picosecond and femtosecond laser beams, in addition to the difficulty of primary time synchronization, the effects of the quality and number of reflective surfaces and the environment through which the laser beams pass also begin to manifest themselves significantly, which further increases the instability of the set synchronization.
Několik alternativních schémat laserových systémů založených na OPCPA je popsáno například v patentové přihlášce US 2005/0 271 094 Al, přičemž v tomto dokumentu jsou navrženy dvě varianty synchronizace. První vyžaduje, aby generátor čerpacího i signálního laserového svazku byl řešen pomocí laserového oscilátoru v režimu synchronizace módů v rezonátoru (Modelocking), což vylučuje další typy generátorů čerpacího svazku, např. regenerativní zesilovač, nebo víceprůchodový zesilovač. Nevýhodou je i nutnost zásahu do samotného oscilátoru čerpacího, nebo signálního svazku. Druhý přístup je založen na generaci super-kontinua pomocí signálového laseru v nelineárním vlákně a jeho následném injektování do regenerativního zesilovače čerpacího laseru. Tato metoda však nedokáže kompenzovat nestabilitu vzniklou v zesilovači čerpacího svazku a ostatní vlivy vzniklé instrumentací před vstupem svazků do zesilovače OPCPA.Several alternative schemes for OPCPA-based laser systems are described, for example, in patent application US 2005/0 271 094 A1, in which two variants of synchronization are proposed. The first requires that both the pump and signal laser beam generator be solved using a laser oscillator in resonator mode synchronization mode, which excludes other types of pump beam generators, such as a regenerative amplifier or a multi-pass amplifier. The disadvantage is the need to intervene in the oscillator of the pump or signal beam. The second approach is based on the generation of a super-continuum using a signal laser in a nonlinear fiber and its subsequent injection into a regenerative pump laser amplifier. However, this method cannot compensate for the instability caused in the pump beam amplifier and other effects caused by instrumentation before the beams enter the OPCPA amplifier.
Dosud používaný systém synchronizace pikosekundových laserových impulzů pro OPCPA [např. Schwarz A. et al., Optics Express 20, 2075-2077 (2012)] je založen na měření vzájemného zpoždění čerpacího a širokopásmového signálového impulzu pomocí nelineárního optického jevu generace součtové frekvence SFG (Sum Frequency Generation), přičemž vzájemný časový posun obou vstupních impulzů (čerpacího a signálového) způsobí změnu vlnové délky měřené frekvence. Tato změna je následně detekována a použita pro časovou stabilizaci ve zpětnovazební smyčce. Jeho významnou nevýhodou je potřeba vysoké energie v obou svazcích pro vybuzení nelineárního jevu SFG, což vyžaduje použití předzesilovače v signálovém svazku před samotným systémem synchronizace. Jinou jeho nevýhodou je použití čerpacího impulzu ještě před konverzí do druhé harmonické, která následně vstupuje do OPCPA a tedy synchronizace neeliminuje vlivy, ke kterým dochází během procesu generování druhé harmonické a vlivem instrumentace na nestejných optických drahách.Previously used picosecond laser pulse synchronization system for OPCPA [e.g. Schwarz A. et al., Optics Express 20, 2075-2077 (2012)] is based on measuring the mutual delay of the pump and broadband signal pulse using a nonlinear optical phenomenon of Sum Frequency Generation (SFG), with the mutual time shift of both input pulses (pump and signal) causes a change in the wavelength of the measured frequency. This change is then detected and used for time stabilization in the feedback loop. Its significant disadvantage is the need for high energy in both beams to excite the nonlinear SFG phenomenon, which requires the use of a preamplifier in the signal beam before the synchronization system itself. Another disadvantage is the use of a pump pulse before conversion to the second harmonic, which then enters the OPCPA and thus synchronization does not eliminate the effects that occur during the process of generating the second harmonic and the influence of instrumentation on unequal optical paths.
Jiný způsob měření relativního zpoždění laserových impulzů je znám z oblasti vláknových laserů [např. Kim J. et al., Nature Photonics 2, 733-736 (2008)]. Je založen na vyváženém kros-koreláAnother method of measuring the relative delay of laser pulses is known in the field of fiber lasers [e.g. Kim J. et al., Nature Photonics 2, 733-736 (2008)]. It is based on a balanced cross-corel
-2CZ 305899 B6 toru dvou signálů o stejné frekvenci, které interagují v nelineárním krystalu. Měřenými a porovnávanými signály v tomto zařízení jsou pak generované druhé harmonické (SHG = second harmonie generation) při interakci typu II, tj. dochází ke kombinaci svazků s navzájem ortogonálními polarizacemi. Obdobně jako v předchozím případě musí mít oba vstupující svazky relativně vysokou intenzitu, aby byl získán dobře detekovatelný výstup. Tento systém ale nelze použít pro synchronizaci svazků pro OPCPA, protože pracuje se zpožděním impulzů stejných vlnových délek.-2GB 305899 B6 two signals of the same frequency that interact in a nonlinear crystal. The measured and compared signals in this device are then generated second harmonics (SHG = second harmony generation) during the type II interaction, ie there is a combination of beams with orthogonal polarizations. As in the previous case, both incoming beams must have a relatively high intensity in order to obtain a well detectable output. However, this system cannot be used for beam synchronization for OPCPA because it works with a delay of pulses of the same wavelengths.
Cílem vynálezu je představit metodu a zařízení pro časovou synchronizaci pikosekundových a sub-pikosekundových laserových impulzů pro využití OPCPA, potlačující nevýhody výše uvedených systémů známých ze stavu techniky.It is an object of the present invention to provide a method and apparatus for time synchronization of picosecond and sub-picosecond laser pulses for the use of OPCPA, overcoming the disadvantages of the above-mentioned prior art systems.
Podstata vynálezuThe essence of the invention
Předkládaná metoda a zařízení do značné míry odstraňuje výše uvedené nedostatky známých řešení. Jedná se o časovou synchronizaci pikosekundových a sub-pikosekundových laserových impulzů pomocí zpětné vazby, která je založena na měření vzájemného zpoždění signálového a čerpacího laserového impulzu s využitím jejich interakce v nelineárním prostředí.The present method and apparatus largely overcomes the above-mentioned shortcomings of the known solutions. It is a time synchronization of picosecond and sub-picosecond laser pulses using feedback, which is based on measuring the mutual delay of the signal and pump laser pulses using their interaction in a nonlinear environment.
Podstata metody spočívá v následujících krocích:The essence of the method lies in the following steps:
1) Ze signálového a čerpacího laserového svazku jsou těsně před vstupem do OPCPA nebo do jiné interakce, která je předmětem synchronizace vyvázány dílčí laserové svazky, jejichž impulzy jsou vzájemně zpožděny stejně, jako impulzy vstupující do OPCPA nebo jiné interakce, která je předmětem synchronizace.1) Immediately before entering the OPCPA or another interaction that is the subject of synchronization, partial laser beams are unbound from the signal and pump laser beam, the pulses of which are delayed in the same way as the pulses entering the OPCPA or other interaction which is the subject of synchronization.
2) Polarizace obou dílčích svazků je upravena tak, aby intenzita ve vertikální i horizontální složce polarizace impulzů obou dílčích svazků dosahovala alespoň úrovně dostatečné pro měřitelnou generaci jevu OPA.2) The polarization of both sub-beams is adjusted so that the intensity in the vertical and horizontal components of the polarization of the pulses of both sub-beams reaches at least a level sufficient for the measurable generation of the OPA phenomenon.
3) U jednoho z dílčích laserových svazků se složky polarizace impulzů vzájemně definovaně a konstantně zpozdí.3) In one of the partial laser beams, the components of the pulse polarization are delayed in a mutually defined and constant manner.
4) Každá z těchto vzájemně definovaně a konstantně zpožděných složek polarizace impulzů jednoho z dílčích svazků se společně a současně s (dle zvoleného typu jevu OPA) příslušnou vhodnou složkou polarizace impulzů druhého dílčího svazku přivede na alespoň jedno příslušně orientované anizotropní nelineární prostředí vykazující jev OPA, v němž dojde k zesilování intenzity příslušné složky polarizace impulzů dílčího signálového svazku na úkor energie odpovídající polarizační složky impulzů dílčího čerpacího svazku, čímž se získá zesílený dílčí signálový svazek a současně s ním vzniká jalový svazek, kde tyto dva svazky společně tvoří modifikovaný kombinovaný svazek. Vhodná složka polarizace vstupujících svazků je určena typem interakce OPA v nelineárním prostředí.4) Each of these mutually defined and constantly delayed pulse polarization components of one of the sub-beams is brought together with (according to the selected type of OPA phenomenon) the appropriate pulse polarization component of the other sub-beam to at least one appropriately oriented anisotropic nonlinear medium exhibiting OPA, in which the intensity of the respective sub-pulse polarization component of the sub-signal beam is amplified at the expense of the energy of the corresponding sub-pulse pulse component of the sub-pump beam, thereby obtaining an amplified sub-signal beam and simultaneously forming a reactive beam where the two beams together form a modified combined beam. The appropriate polarization component of the incoming beams is determined by the type of OPA interaction in a nonlinear environment.
5) Vhodným měřicím a vyhodnocovacím prvkem se pak měří a porovnává intenzita obou složek polarizace impulzů zesílené dílčí signálové a/nebo jalové vlny, které jsou výsledkem jevu OPA a vystupují z alespoň jednoho příslušně orientovaného anizotropního nelineárního prostředí, ve kterém došlo k zesílení díky interakci odpovídajících složek polarizace impulzů dílčího čerpacího svazku a dílčího signálového svazku.5) The intensity of both pulse polarization components of the amplified partial signal and / or reactive wave resulting from the OPA phenomenon and emanating from at least one appropriately oriented anisotropic nonlinear environment in which amplification has occurred is measured and compared by a suitable measuring and evaluation element. the polarization components of the pulses of the partial pump beam and the partial signal beam.
6) Hodnoty získané ve fázi 5 jsou využity pro zpětnovazební smyčku realizovanou pomocí běžných elektrotechnických prostředků, která ovlivňuje primární laserový systém generující primární laserový svazek a/nebo primární čerpací svazek.6) The values obtained in phase 5 are used for a feedback loop realized by conventional electrical means, which affects the primary laser system generating the primary laser beam and / or the primary pump beam.
Předkládaná metoda může být provedena libovolnou kombinací provedení na sebe navazujících fází metody, které jsou popsány v následujícím a/nebo ve výše uvedeném textu.The present method can be performed by any combination of embodiments of consecutive phases of the method, which are described in the following and / or in the above text.
Ve výhodném provedení fáze 1 jsou dílčí signálový laserový svazek a dílčí čerpací laserový svazek vyvázány pomocí polopropustných zrcadel z materiálu s nízkou hodnotou grupové disperze pro předem dané vlnové délky impulzů, tzv. Low-GDD, určené k tomu, aby nedocházelo k časovému rozšiřování laserových impulzů vlivem průchodu materiálem.In a preferred embodiment of phase 1, the partial signal laser beam and the partial pump laser beam are coupled by means of semipermeable mirrors made of a material with a low group dispersion for predetermined pulse wavelengths, so-called Low-GDD, designed to prevent time-lapse laser pulses. due to the passage of material.
Ve výhodném provedení fáze 2 se vzájemný poměr složek polarizace obou dílčích impulzů upraví průchodem dílčích laserových svazků polarizaci stáčejícími prvky vhodně přizpůsobenými s ohledem na požadovanou orientaci roviny polarizace dílčích laserových impulzů.In a preferred embodiment of phase 2, the mutual ratio of the polarization components of the two partial pulses is adjusted by passing the partial laser beams through polarization twisting elements suitably adapted with respect to the desired orientation of the polarization plane of the partial laser pulses.
Ve výhodném provedení fáze 3 se vzájemné zpoždění složek polarizace impulzů jednoho z dílčích svazků provede navedením jednotlivých složek polarizace na rozdílné optické dráhy, přičemž tyto dráhy jsou odlišné délky a/nebo alespoň jedna z oddělených složek polarizace dílčího svazku prochází signál zpožďujícím prvkem.In a preferred embodiment of phase 3, the mutual delay of the polarization components of the pulses of one of the sub-beams is performed by guiding the individual polarization components to different optical paths, these paths being different lengths and / or at least one of the separate sub-beam polarization components passing through the signal delay element.
V jiném výhodném provedení fáze 3 jsou složky polarizace dílčího svazku navzájem pevně a definovaně zpožděny pomocí průchodu opticky dvoj lomným materiálem.In another preferred embodiment of phase 3, the polarization components of the sub-beam are firmly and definedly delayed relative to one another by passing through an optically birefringent material.
Ve výhodném provedení fáze 4 jsou vzájemně zpožděné složky polarizace impulzů jednoho z dílčích svazků spojeny navedením na společnou optickou dráhu průchodem spojovacím prvkem a dále jsou na stejnou společnou optickou dráhu navedeny průchodem stejným a/nebo dalším spojovacím prvkem obě složky polarizace impulzů druhého dílčího svazku. Takto vzniklý kombinovaný svazek se přivede na alespoň dvě vzájemně ortogonálně pootočená a ve směru šíření dílčích svazků za sebou uspořádaná anizotropní nelineární prostředí vykazující jev OPA, přičemž k zesilování horizontální a vertikální složky polarizace impulzů dílčího signálového svazku dochází v každém z příslušně vhodně orientovaných anizotropních nelineárních prostředí vykazujících jev OPA zvlášť.In a preferred embodiment of phase 4, the mutually delayed pulse polarization components of one of the sub-beams are connected by guiding the common optical path through a link and further the two pulse polarization components of the other sub-beam are guided to the same common optical path by the same and / or another link. The resulting combined beam is applied to at least two anisotropic non-linear non-linear media exhibiting OPA, which are rotated orthogonally rotated and arranged in the direction of partial beam propagation, the amplification of the horizontal and vertical polarization components of the partial signal beam pulses occurring in each suitably oriented anisotropic nonlinear medium. reporting OPA phenomenon separately.
Ve výhodném provedení fáze 5 se impulz zesíleného dílčího signálového svazku nebo impulz jalového svazku, které vznikají interakcí OPA, propouští optickým pásmovým filtrem.In a preferred embodiment of phase 5, the amplified partial signal beam pulse or the reactive beam pulse generated by the OPA interaction is passed through an optical bandpass filter.
Ve výhodném provedení fáze 5 se impulz jalového nebo zesíleného dílčího svazku ještě před měřením rozdělí prvkem oddělujícím složky polarizace svazku.In a preferred embodiment of phase 5, the pulse of the reactive or amplified sub-beam is split by the element separating the polarization components of the beam before the measurement.
Předmětem vynálezu je rovněž zařízení pro provádění metody optické stabilizace časové synchronizace pikosekundových a sub-pikosekundových laserových impulzů, jehož podstata spočívá v tom, že obsahuje sekci dílčího signálového svazku, sekci dílčího čerpacího svazku a sekci kombinovaného svazku, přičemžThe invention also relates to an apparatus for performing a method of optically stabilizing the time synchronization of picosecond and sub-picosecond laser pulses, comprising a sub-signal beam section, a sub-pump beam section and a combined beam section, wherein
- Alespoň jedna ze sekcí dílčího čerpacího resp. signálového svazku obsahuje alespoň jeden signál zpožďující prvek určený ke zpoždění alespoň jedné složky polarizace impulzů příslušného dílčího laserového svazku;- At least one of the sections of the partial pumping resp. the signal beam comprises at least one signal delay element for delaying at least one component of the pulse polarization of the respective laser sub-beam;
- Sekce dílčího signálového svazku, sekce dílčího čerpacího svazku a sekce kombinovaného svazku jsou vzájemně propojeny alespoň jedním spojujícím prvkem, který je určen k navedení alespoň některých složek polarizace impulzů dílčího čerpacího svazku a současně alespoň některých složek polarizace impulzů dílčího signálového svazku na společnou optickou dráhu a tím k vytvoření alespoň jednoho kombinovaného svazku;- The sub-signal section, the sub-pump section and the combined section are interconnected by at least one connecting element for guiding at least some sub-pulse polarization components and at least some sub-pulse polarization components to a common optical path, and thereby forming at least one combined bundle;
- Sekce kombinovaného svazku obsahuje alespoň jedno anizotropní nelineární prostředí vykazující jev OPA a alespoň jeden měřicí prvek obsahující alespoň jeden fotodetektor, který je na svém výstupu propojen s alespoň jedním vyhodnocovacím zařízením.- The combined beam section comprises at least one anisotropic non-linear medium exhibiting the OPA phenomenon and at least one measuring element comprising at least one photodetector, which is connected at its output to at least one evaluation device.
Předkládané zařízení může být realizováno libovolnou kombinací provedení částí zařízení popsaných v následujícím a/nebo výše uvedeném textu.The present device can be realized by any combination of embodiments of parts of the devices described in the following and / or above text.
_ /1 __ / 1 _
Ve výhodném provedení je zařízení propojeno s primárním laserovým systémem pomocí polopropustných zrcadel z materiálu s nízkou hodnotou grupové disperze pro předem dané vlnové délky impulzů, umístěných do optických drah signálového a čerpacího laserového svazku.In a preferred embodiment, the device is connected to the primary laser system by means of semi-transparent mirrors of low group dispersion material for predetermined pulse wavelengths located in the optical paths of the signal and pump laser beam.
Ve výhodném provedení sekce dílčího signálového svazku a/nebo sekce dílčího čerpacího svazku obsahuje také alespoň jeden polarizaci stáčející prvek určený ke stáčení roviny polarizace dílčího signálového laserového svazku a/nebo dílčího čerpacího impulzního laserového svazku, přičemž tímto polarizaci stáčejícím prvkem je půlvlnná destička a/nebo Faradayův rotátor a/nebo soustava zrcadel.In a preferred embodiment, the sub-signal beam section and / or the sub-pump beam section also comprises at least one polarization-twisting element for twisting the polarization plane of the sub-signal laser beam and / or the partial pump pulse laser beam, said polarization-twisting element being a half-wave plate and / or Faraday rotator and / or mirror system.
V libovolném provedení je zpožďující prvek v zařízení realizován jako zpožďovací destička a/nebo soustava zrcadel a/nebo opticky dvoj lomný materiál.In any embodiment, the delay element in the device is implemented as a delay plate and / or a set of mirrors and / or an optically birefringent material.
Ve výhodném provedení sekce dílčího signálového svazku a/nebo sekce dílčího čerpacího svazku a/nebo sekce kombinovaného svazku zařízení obsahuje také alespoň jeden prvek oddělující složky polarizace impulzů, přičemž tímto prvkem oddělujícím složky polarizace impulzu je polarizační dělič svazku a/nebo polarizační kostka a/nebo tenkovrstvý polarizační film a/nebo hranol Nikol a/nebo hranol Glan-Thompson a/nebo hranol Glan-Taylor a/nebo dichroický polarizační dělič svazku.In a preferred embodiment, the sub-signal section and / or the sub-pump section and / or the combined beam section of the device also comprises at least one pulse polarization component separating element, said pulse polarization component separating element being a beam polarization splitter and / or a polarization cube and / or a thin film polarizing film and / or a Nikol prism and / or a Glan-Thompson prism and / or a Glan-Taylor prism and / or a dichroic beam polarization splitter.
Ve výhodném provedení zařízení v sekci dílčího signálového svazku a/nebo sekci dílčího čerpacího svazku obsahuje Mach-Zenderův interferometr pro vytvoření vzájemně zpožděných složek polarizace impulzů jednoho z dílčích laserových svazků tvořený prvkem oddělujícím složky polarizace, zpožďujícím prvkem umístěným v jednom rameni interferometru a prvkem spojujícím vzájemně zpožděné složky polarizace impulzů tohoto dílčího laserového svazku na společnou optickou dráhu.In a preferred embodiment, the device in the sub-signal section and / or the sub-pump section comprises a Mach-Zender interferometer for generating mutually delayed pulse polarization components of one of the sub-laser beams, comprising a polarization component separating element, a delay element located in one arm of the interferometer and an interconnecting element delayed components of the pulse polarization of this laser sub-beam to a common optical path.
Ve výhodném provedení je optický prvek spojující výše popsané sekce realizován jako dichroické zrcadlo a/nebo difrakční mřížka a/nebo dichroický dělič svazku.In a preferred embodiment, the optical element connecting the sections described above is realized as a dichroic mirror and / or a diffraction grating and / or a dichroic beam splitter.
Ve výhodném provedení jsou alespoň dvě anizotropní nelineární prostředí vykazující jev OPA v sekci kombinovaného svazku uspořádána tak, že jsou umístěna za sebou ve směru šíření kombinovaného svazku a současně jsou vzájemně ortogonálně pootočená.In a preferred embodiment, the at least two anisotropic non-linear media exhibiting the OPA phenomenon in the combined beam section are arranged so as to be arranged one behind the other in the direction of propagation of the combined beam and at the same time are orthogonally rotated relative to each other.
V libovolném provedení je anizotropním nelineárním prostředím vykazujícím jev OPA pro interakci příslušných složek polarizace impulzů dílčích laserových svazků nelineární krystal z materiálu BBO (β-Baryum Borate), nebo LBO (Lithium Triborate), nebo KDP (Potassium Dihydrogen Phosphate), nebo DKDP (Potassium Dideuterium Phosphate), nebo BiBO (Bismuth Borate), nebo YCOB (Yttrium Calcium Oxoborate), nebo LÍNBO3 (Lithium niobáte), nebo KTP (Potassium Titanyl Phosphate).In any embodiment, the anisotropic nonlinear medium exhibiting OPA for the interaction of the respective components of the polarization of the partial laser beam pulses is a nonlinear crystal of BBO (β-Barium Borate) or LBO (Lithium Triborate), or KDP (Potassium Dihydrogen Phosphate), or DKDP (Potassium). Dideuterium Phosphate), or BiBO (Bismuth Borate), or YCOB (Yttrium Calcium Oxoborate), or LINBO3 (Lithium Niobate), or KTP (Potassium Titanyl Phosphate).
Ve výhodném provedení je v sekci kombinovaného svazku umístěn alespoň jeden pásmový optický filtr mezi anizotropním nelineárním prostředí vykazujícím jev OPA a vyhodnocovacím/měřicím prvkem.In a preferred embodiment, at least one band optical filter is placed in the combined beam section between the anisotropic non-linear environment exhibiting the OPA phenomenon and the evaluation / measuring element.
V jiném výhodném provedení vyhodnocovací/měřicí prvek v sekci kombinovaného svazku obsahuje alespoň jeden prvek oddělující složky polarizace impulzu měřeného svazku, přičemž tímto prvkem oddělujícím složky polarizace impulzu měřeného svazku je polarizační dělič svazku a/nebo polarizační kostka a/nebo tenkovrstvý polarizační film a/nebo hranol Nikol a/nebo hranol Glan-Thompson a/nebo hranol Glan-Taylor a/nebo dichroický polarizační dělič svazku.In another preferred embodiment, the evaluation / measuring element in the combined beam section comprises at least one element separating the polarization components of the pulse of the measured beam, said element separating the polarization components of the pulse of the measured beam being a polarizing beam splitter and / or a polarizing cube and / or a thin film polarizing film and / or a Nikol prism and / or a Glan-Thompson prism and / or a Glan-Taylor prism and / or a dichroic beam polarization splitter.
V libovolném provedení je fotodetektorem v zařízení fotodioda a/nebo fotonásobič a/nebo fototranzistor.In any embodiment, the photodetector in the device is a photodiode and / or a photomultiplier and / or a phototransistor.
. 5 .. 5.
Vzhledem k tomu, že představené zařízení podle vynálezu pracuje se složkami polarizace obou svazů, umožňuje vést oba dílčí signály po jedné optické trase, čímž eliminuje zanášení chyby vlivem rozdílné instrumentace.Since the presented device according to the invention works with the polarization components of both beams, it makes it possible to guide both sub-signals along one optical path, thus eliminating the clogging of the error due to different instrumentation.
Představené řešení podle vynálezu je v porovnání se systémem popsaným ve spisu US 2005/0 271 094 Al jedinečné v tom, že díky měření těsně před samotným OPCPA zesilovačem lze očekávat přibližně o řád menší nestabilitu vzniklou v regenerativním zesilovači čerpacího svazku. V porovnání se systémem popsaným v odborné literatuře Schwarz et al., je kromě výše uvedené výhody měření těsně před OPCPA také potřeba řádově nižších energií (v řádu pJ) ve svazcích vstupujících do synchronizační jednotky.The presented solution according to the invention is unique in comparison with the system described in US 2005/0 271 094 A1 in that, due to the measurement just before the OPCPA amplifier itself, approximately an order of magnitude less instability can be expected in the regenerative pump beam amplifier. In comparison with the system described in the literature of Schwarz et al., In addition to the above-mentioned advantage of measuring just before OPCPA, there is also a need for orders of magnitude lower energies (in the order of pJ) in beams entering the synchronization unit.
Objasnění výkresůExplanation of drawings
Vynález bude dále přiblížen pomocí výkresů, kde:The invention will be further illustrated by the drawings, in which:
- Obr. 1 zobrazuje blokové schéma jednotlivých fází metody pro synchronizaci podle vynálezu.- Giant. 1 shows a block diagram of the individual phases of the method for synchronization according to the invention.
- Obr. 2 představuje generální schéma zapojení laserového systému pro zesilování v OPCPA se synchronizačním zařízením podle vynálezu,- Giant. 2 is a general circuit diagram of a laser amplification system in an OPCPA with a synchronization device according to the invention,
- Obr. 3 představuje schéma výhodného uspořádání synchronizačního zařízení podle vynálezu,- Giant. 3 is a diagram of a preferred arrangement of a synchronization device according to the invention,
- Obr. 4 představuje schéma jiného výhodného uspořádání synchronizačního zařízení podle vynálezu.- Giant. 4 is a diagram of another preferred embodiment of a synchronization device according to the invention.
- Obr. 5 představuje vzájemné ortogonální otočení dvou anizotropních nelineárních prostředí vykazujících jev OPA,- Giant. 5 represents the mutual orthogonal rotation of two anisotropic nonlinear media exhibiting the OPA phenomenon,
- Obr. 6 představuje vzájemné postavení jednotlivých složek polarizace dílčího signálového a dílčího čerpacího impulzu, které vstupují do interakce ve dvou vzájemně ortogonálně otočených anizotropních nelineárních prostředích vykazujících jev OPA.- Giant. 6 shows the mutual position of the individual polarization components of the partial signal and the partial pump pulse, which enter into interaction in two mutually orthogonally rotated anisotropic nonlinear media exhibiting the OPA phenomenon.
Výkresy, které znázorňují představovaný vynález, a následně popsané příklady konkrétních provedení v žádném případě neomezují rozsah ochrany uvedený v definici, ale jen objasňují podstatu vynálezu.The drawings, which illustrate the present invention and the examples of specific embodiments described below, in no way limit the scope of protection given in the definition, but merely clarify the essence of the invention.
Na obr. 1 je blokové schéma jednotlivých fází metody pro časovou synchronizaci pikosekundových a sub-pikosekundových laserových impulzů. Alfanumerické označení bloků v žádném případě není v přímé vazbě k dále používanému značení ve schématech experimentálního uspořádání, a tedy z něj nelze vyvozovat, že určitá fáze je aplikována pouze na určitý laserový svazek, stejně jako nepopisuje vazbu složek polarizace jednotlivých dílčích laserových svazků. Metodu tvoří tyto fáze:Fig. 1 is a block diagram of the individual phases of a method for time synchronization of picosecond and sub-picosecond laser pulses. The alphanumeric marking of the blocks is in no way directly related to the marking used further in the experimental setup schemes, and thus it cannot be inferred from it that a certain phase is applied only to a certain laser beam, just as it does not describe the binding of polarization components of individual laser sub-beams. The method consists of the following phases:
- Blok A~B zahrnuje základní synchronizaci a generování signálového a čerpacího laserového svazku, které vstupují do interakce OPCPA, či jiné interakce, která je předmětem synchronizace v generálním uspořádání, blok zdůrazňuje jejich vzájemnou vazbu.- Block A ~ B includes basic synchronization and generation of signal and pump laser beam, which enter into the OPCPA interaction, or other interaction, which is the subject of synchronization in the general arrangement, the block emphasizes their mutual connection.
- Fáze la, resp. 1b představuje vyvázání dílčího signálového laserového svazku a dílčího čerpacího laserového svazku z příslušných laserových svazků těsně před vstupem do OPCPA, či jiné interakce, která je předmětem synchronizace. Impulzy v obou dílčích svazcích jsou stejně vzájemně zpožděny jako primární impulzy, přičemž měření tohoto vzájemného zpoždění je cílem předkládaného vynálezu.- Phase la, resp. 1b represents the uncoupling of a partial signal laser beam and a partial pump laser beam from respective laser beams just before entering the OPCPA, or other interaction that is the subject of synchronization. The pulses in the two sub-beams are the same as each other as the primary pulses, the measurement of this mutual delay being an object of the present invention.
- Fáze 2a, resp. 2b znázorňuje úpravu roviny polarizace obou dílčích svazků tak, aby intenzita v horizontální a vertikální složce polarizace impulzů obou dílčích svazků byla srovnatelná.- Phase 2a, resp. 2b shows the adjustment of the plane of polarization of the two sub-beams so that the intensity in the horizontal and vertical components of the polarization of the pulses of the two sub-beams is comparable.
- Fáze 3τ představuje proces vzájemného zpoždění horizontální a vertikální složky polarizace u jednoho z dílčích laserových svazků o konstantní a definovaný časový rozdíl τ.- Phase 3τ represents the process of mutual delay of the horizontal and vertical components of polarization in one of the partial laser beams by a constant and defined time difference τ.
-6CZ 305899 B6-6GB 305899 B6
- Přechod mezi fázemi 3τ a 2b k 4x a 4y zdůrazňuje přivedení vzájemně vhodných (dle zvoleného typu interakce typu OPA) složek polarizace impulzů dílčích svazků na anizotropní nelineární prostředí vykazující jev OPA, tedy zeje na toto prostředí přivedena současně (prostorově a téměř časově synchronně) horizontální resp. vertikální složka impulzů dílčího čerpacího svazku a vertikální resp. horizontální složka impulzů dílčího signálového svazku při OPA interakci typu I, případně horizontální resp. vertikální složka impulzů dílčího čerpacího svazku a horizontální resp. vertikální složka impulzů dílčího signálového svazku při OPA interakci typu II.- The transition between phases 3τ and 2b to 4x and 4y emphasizes the introduction of mutually suitable (according to the selected type of interaction type OPA) components of partial beam pulse polarization to anisotropic nonlinear environment exhibiting OPA phenomenon, ie it is applied to this environment simultaneously (spatially and almost temporally synchronously) horizontal resp. vertical component of the pulses of the partial pump bundle and vertical resp. horizontal component of the partial signal beam pulses during OPA interaction type I, or horizontal resp. vertical component of the pulses of the partial pump bundle and horizontal resp. vertical component of the partial signal beam pulses during OPA interaction type II.
- Fáze 4x, resp. 4y představuje nelineární interakci, při které dochází k přelévání energie z příslušné složky polarizace dílčího čerpacího pulzu do příslušné složky polarizace impulzu signálového. Průchodem dílčích laserových svazků anizotropním nelineárním prostředím vykazujícím jev OPA dojde k zesílení jednotlivých složek polarizace impulzů dílčího signálového svazku a ke vzniku jalového svazku.- Phase 4x, resp. 4y represents a non-linear interaction in which energy is transferred from the respective polarization component of the partial pump pulse to the respective polarization component of the signal pulse. By passing the partial laser beams through an anisotropic nonlinear medium exhibiting the OPA phenomenon, the individual components of the polarization of the pulses of the partial signal beam are amplified and a reactive beam is formed.
- Fáze 5x, resp. 5y zobrazuje proces měření a vyhodnocování, při kterém je měřena a porovnávána intenzita záření v jednotlivých složkách polarizace impulzů zesíleného dílčího svazku a/nebo jalového svazku a na základě získaných hodnot je realizována zpětnovazební smyčka pro úpravu synchronizace a generování laserových svazků zobrazených blokem A~B.- Phase 5x, resp. 5y shows a measurement and evaluation process in which the intensity of radiation in individual components of polarization of pulses of amplified sub-beam and / or reactive beam is measured and compared, and based on the obtained values a feedback loop is realized to adjust synchronization and generate laser beams shown by block A ~ B.
Na obr. 2 je představeno generální schéma zapojení laserového systému využívajícího pro zesilování laserového signálu optický zesilovač typu OPCPA. Zobrazený laserový systém obsahuje optický impulzní oscilátor 1, regenerativní zesilovač 2, optický zesilovač OPCPA 3, základní optickou synchronizační jednotku 4 polopropustná zrcadla 5, zpoždění stabilizující synchronizační zařízení 6 podle vynálezu a zpětnovazební smyčku 7.Fig. 2 shows a general circuit diagram of a laser system using an OPCPA type optical amplifier to amplify the laser signal. The illustrated laser system comprises an optical pulse oscillator 1, a regenerative amplifier 2, an optical amplifier OPCPA 3, a basic optical synchronization unit 4 semi-transparent mirrors 5, a delay stabilizing synchronization device 6 according to the invention and a feedback loop 7.
Optický impulzní oscilátor 1 je zdrojem širokopásmového laserového svazku, z jehož spektrálních složek je vytvořen jak signálový laserový pulz 8 (v oblasti femtosekundových impulzů obvykle čerpovaný), tak zdrojový laserový svazek 9, který prochází základní optickou synchronizační jednotkou 4 a vstupuje do regenerativního zesilovače 2, kde je zesílen na čerpací laserový svazek 10.The optical pulse oscillator 1 is a source of a wideband laser beam, from the spectral components of which both a signal laser pulse 8 (usually pumped in the area of femtosecond pulses) and a source laser beam 9 are generated, which passes through the basic optical synchronization unit 4 and enters the regenerative amplifier 2. where it is amplified to a pump laser beam 10.
Základní optická synchronizační jednotka 4, v oboru označovaná jako zpožďovací linka, je tvořena soustavou zrcadel ovládanou pohony s piko-metrickým posuvem. Pomocí nastavení soustavy zrcadel zpožďovací linky 4 dochází k definovanému základnímu nastavení vzájemného zpoždění spouštěcího optického impulzů 9 přiváděného do regenerativního zesilovače 2, tedy k základní časové synchronizaci impulzů signálového laserového svazku 8 s čerpacím laserovým svazkem 10. Pohony zrcadel v synchronizační jednotce 4 jsou dále řízeny zpětnou vazbou 7 vysílanou stabilizujícím synchronizačním zařízením 6 podle vynálezu. Díky tomuto řízení vstupují oba laserové svazky 8 a 10 pomocí polopropustných zrcadel 5 do optického zesilovače OPCPA 3 časově a prostorově synchronizované. V zesilovači OPCPA dojde k zesílení signálového svazku 8 na úkor energie čerpacího svazku 10 a získání výstupního laserového signálu j_LThe basic optical synchronization unit 4, referred to in the art as the delay line, consists of a system of mirrors controlled by drives with a picometric shift. By setting the mirror system of the delay line 4, a defined basic setting of the mutual delay of the trigger optical pulses 9 supplied to the regenerative amplifier 2 takes place, i.e. basic time synchronization of the signal laser beam 8 pulses with the pump laser beam 10. The mirror drives in the synchronization unit 4 are further controlled by feedback. by a link 7 transmitted by the stabilizing synchronizing device 6 according to the invention. Thanks to this control, both laser beams 8 and 10 enter the optical amplifier OPCPA 3 in time and space synchronized by means of semi-transparent mirrors 5. In the OPCPA amplifier, the signal beam 8 is amplified at the expense of the energy of the pump beam 10 and the output laser signal j_L is obtained.
Polopropustná zrcadla 5 jsou předem definovaným způsobem částečně propustná, propouštějí část primárních laserových svazků 8 a 10, tedy dochází k vyvázání dílčího signálového laserového svazku 8a a dílčího čerpacího laserového svazku 10a, které dále vstupují do synchronizačního zařízení 6 podle vynálezu. Toto zařízení následně na základě interakce dílčích svazků 8a a 10a vytváří výše uvedenou zpětnou vazbu 7 řídící jak základní optickou synchronizační jednotku 4, tak piezzo-elektricky ovládané zrcadlo rezonátoru regenerativního zesilovače 2.The semipermeable mirrors 5 are partially permeable in a predefined manner, transmitting part of the primary laser beams 8 and 10, i.e. the partial signal laser beam 8a and the partial pump laser beam 10a are untied, which further enter the synchronizing device 6 according to the invention. This device subsequently creates the above-mentioned feedback 7 controlling both the basic optical synchronization unit 4 and the piezzo-electrically controlled mirror resonator of the regenerative amplifier 2 based on the interaction of the sub-beams 8a and 10a.
Na obr. 3 je představeno vnitřní schéma výhodného provedení stabilizujícího synchronizačního zařízení 6 podle vynálezu pro časovou synchronizaci laserových impulzů. Zařízení, obsahuje sekci dílčího signálového laserového svazku 8a, sekci dílčího čerpacího laserového svazku 10a a sekci kombinovaného svazku 12.Fig. 3 is an internal diagram of a preferred embodiment of a stabilizing synchronization device 6 according to the invention for time synchronization of laser pulses. The device comprises a section of a sub-signal laser beam 8a, a section of a sub-pump laser beam 10a and a section of a combined beam 12.
- Sekce dílčího čerpacího laserového svazku 10a ve směru X dráhy v něm procházejícího dílčího čerpacího laserového svazku 10a obsahuje prvek stáčející rovinu polarizace 13, např. půlvlnou- The section of the partial pump laser beam 10a in the X direction of the path of the partial pump laser beam 10a passing therein comprises an element twisting the plane of polarization 13, e.g. a half-wave
-7CZ 305899 B6 destičku, kterým se upravuje rovina polarizace příchozího dílčího čerpacího svazku 10a tak, aby intenzita obou složek polarizace byla vzájemně srovnatelná (optimálně 50:50); dělicí prvek 14 oddělující složky polarizace impulzu navádějící je na rozdílné optické dráhy a spojovací prvek 15 navádějící složky polarizace impulzu zpět na společnou optickou dráhu, přičemž oba prvky reprezentuje např. polarizační dělič svazku. Sekce dílčího čerpacího laserového svazku 10a je mezi dělicím prvkem 14 a spojovacím prvkem 15 rozdělena na dvě dílčí optické dráhy, kde jedna je opatřena signál zpožďujícím prvkem 16, např. zpožďovací destičkou, který zajišťuje konstantní definované zpoždění robou složek polarizace dílčího laserového čerpacího svazku 10a.-7CZ 305899 B6 a plate by which the plane of polarization of the incoming sub-pump bundle 10a is adjusted so that the intensity of the two polarization components is mutually comparable (optimally 50:50); a dividing element 14 separating the pulse polarization components guiding them to different optical paths and a connecting element 15 guiding the pulse polarization components back to a common optical path, both elements being represented, for example, by a polarizing beam splitter. The laser sub-beam section 10a is divided between two dividing elements 14 and the connecting element 15 into two sub-optical paths, one of which is provided with a signal delay element 16, e.g. a delay plate, which provides a constant defined delay by the polarization components of the sub-laser pump beam 10a.
Ve výhodném provedení odpovídá uspořádání prvků 14, 15 a 16 uspořádání Mach-Zenderova interferometru.In a preferred embodiment, the arrangement of elements 14, 15 and 16 corresponds to the arrangement of a Mach-Zender interferometer.
- Sekce dílčího signálového laserového svazku 8a ve směru Y dráhy v něm procházejícího dílčího signálového svazku 8a obsahuje ve výhodném provedení prvek stáčející rovinu polarizace 17, např. půlvlnou destičku, jejíž funkce je stejná jako v sekci dílčího čerpacího svazku 10a.The section of the sub-signal laser beam 8a in the Y direction of the path of the sub-signal beam 8a passing therein preferably comprises an element twisting the plane of polarization 17, e.g. a half-wave plate, the function of which is the same as in the section of the sub-pump beam 10a.
- Sekce dílčího signálového laserového svazku 8a, sekce dílčího čerpacího laserového svazku 10a a sekce kombinovaného laserového svazku 12 jsou vzájemně propojeny spojujícím prvkem 18, kterým je v představeném případě např. dichroické zrcadlo.- The sub-signal laser beam section 8a, the sub-pump laser beam section 10a and the combined laser beam section 12 are interconnected by a connecting element 18, which in the present case is, for example, a dichroic mirror.
- Sekce kombinovaného svazku 12 ve směru Z dráhy v něm procházejícího kombinovaného laserového svazku 12 obsahuje dvě ve směru dráhy dílčích laserových svazků 8a a 10a za sebou uspořádaná anizotropní nelineární prostředí vykazující jev OPA, v našem případě vzájemně ortogonálně otočené nelineární krystaly 19. Časová synchronizace bez dosud realizované zpětné vazby 7 v tomto místě závisí primárně na kvalitě synchronizace realizované pomocí základní synchronizační jednotky 4. Ze soustavy anizotropních nelineárních prostředí vykazujících jev OPA vystupuje ve směru Z modifikovaný kombinovaný svazek, který je tvořen zesíleným dílčím signálovým svazkem 8z a jalovým svazkem 24, které jsou výsledkem interakce OPA. Sekce dále ve směru Z osahuje pásmový optický filtr 20, a měřicí zařízení, v představeném příkladu tvořené dělicím prvkem 21 pro oddělení složek polarizace impulzů měřeného svazku a dvěma fotodetektory 22, na svém výstupu datově propojenými s vyhodnocovacím zařízením 23.- The section of the combined beam 12 in the Z direction of the combined laser beam 12 passing through it comprises two anisotropic nonlinear environments arranged in series in the path direction of the partial laser beams 8a and 10a exhibiting OPA, in our case orthogonally rotated nonlinear crystals 19. The feedback 7 implemented so far at this point depends primarily on the quality of synchronization realized by the basic synchronization unit 4. A modified combined beam emerges in the Z direction from the system of anisotropic nonlinear environments exhibiting OPA, which consists of an amplified partial signal beam 8z and reactive beam 24 are the result of an OPA interaction. The section further comprises in the Z-direction a band optical filter 20, and a measuring device, in the illustrated example formed by a dividing element 21 for separating the pulse polarization components of the measured beam and two photodetectors 22, at its output data-connected to the evaluation device 23.
- Na základě naměřených a vyhodnocených výsledků je automaticky realizována zpětná vazba 7.- Based on the measured and evaluated results, feedback is automatically implemented 7.
Obr. 4 je modifikací uspořádání na obr. 3, přičemž sekce dílčího signálového svazku 8a, sekce kombinovaného svazku 12 a vzájemné propojení všech tří sekcí je ekvivalentní obr. 3. Uspořádání se liší pouze sekcí dílčího čerpacího svazku 10a:Giant. 4 is a modification of the arrangement of FIG. 3, wherein the sub-beam section 8a, the combined beam section 12 and the interconnection of all three sections are equivalent to FIG. 3. The arrangement differs only in the sub-pump section 10a:
- Sekce dílčího čerpacího svazku 10a obsahuje destičku z dvoj lomného materiálu, která způsobí vzájemné posunutí vertikální a horizontální složky polarizace impulzů dílčího čerpacího svazku 10a o definovaný a konstantní časový posun τ, přičemž požadované zpoždění je přibližně rovno délce delšího z interagujících pulzů.The sub-pump section 10a comprises a plate of birefringent material which causes the vertical and horizontal polarization components of the sub-pump pulses 10a to shift by a defined and constant time shift τ, the desired delay being approximately equal to the length of the longer of the interacting pulses.
Na obr. 5 je zobrazena orientace vzájemně ortogonálně pootočených dvou nelineárních anizotropních prostředí vykazujících jev OPA, přičemž šipky znázorňují orientaci polarizace signálového svazku, která je v příslušném krystalu zesilována. Nelineárních anizotropních prostředí vykazujících jev OPA může být i jiný počet a mohou být z materiálů popsaných v podstatě vynálezu.Fig. 5 shows the orientation of two nonlinear anisotropic media exhibiting the OPA phenomenon, which are orthogonally rotated to each other, the arrows showing the orientation of the polarization of the signal beam which is amplified in the respective crystal. There may be a number of non-linear anisotropic media exhibiting OPA and may be of the materials described in the Summary of the Invention.
Anizotropní nelineární prostředí vykazující jev OPA pracuje na základě jevu nelineární optiky druhého řádu, při kterém dochází k interakci tří optických svazků: čerpacího svazku, signálového svazku a jalového svazku. Během tohoto jevu dochází k zesílení signálového svazku a generaci jalového svazku na úkor energie čerpacího svazku. Z hlediska jednotlivých fotonů se jedná o rozpad čerpacího fotonu na dva fotony, tj. na signálový foton a jalový foton. Jelikož na vytvoření dvojice signálového a jalového fotonu je spotřebována veškerá energie čerpacího fotonu, nezpůThe anisotropic nonlinear environment exhibiting the OPA phenomenon works on the basis of the phenomenon of nonlinear optics of the second order, in which three optical beams interact: the pump beam, the signal beam and the reactive beam. During this phenomenon, the signal beam is amplified and the reactive beam is generated at the expense of the energy of the pump beam. From the point of view of individual photons, it is a decomposition of the pump photon into two photons, ie into a signal photon and a reactive photon. Since all the energy of the pump photon is consumed to create a pair of signal and reactive photons, it is not possible
-8CZ 305899 B6 sobuje parametrické zesílení žádnou disipaci energie záření, a tedy nedochází k dodatečnému ohřívání nelineárního prostředí.-8EN 305899 B6 the parametric amplification does not cause any dissipation of the radiation energy, and thus there is no additional heating of the nonlinear medium.
Polarizace svazků v nelineárním anizotropním prostředí závisí na použitém typu interakce OPA. Ve výhodném provedení lze použít tzv. interakci „typu I“, kdy v daném prostředí má zesilovaný signální svazek a generovaný jalový svazek shodnou polarizaci, nebo v jiném výhodném provedení interakci „typu II“, kdy signální a jalový svazek mají v daném prostředí navzájem ortogonální polarizaci.Beam polarization in a nonlinear anisotropic environment depends on the type of OPA interaction used. In a preferred embodiment, the so-called "type I" interaction can be used, where in a given environment the amplified signal beam and the generated reactive beam have the same polarization, or in another preferred embodiment the "type II" interaction, where the signal and reactive beam have orthogonal to each other in the given environment. polarization.
Obr. 6 zobrazuje vzájemnou orientaci a postavení jednotlivých složek polarizace impulzů obou částí kombinovaného svazku 12 a jejich možný překryv ve výhodném provedení. Vzájemné zpoždění jednotlivých složek impulzů je určeno základním zpožděním At impulzů vstupujících do synchronizačního zařízení 6, a pevně definovaným časovým rozladěním τ mezi v tomto výhodném provedení složkami polarizace dílčího čerpacího svazku 10a, které vzniká uvnitř synchronizačního zařízení 6. Obrázek tedy zobrazuje nejen konstantní časový posun τ mezi horizontální složkou IQa-x polarizace impulzu dílčího čerpacího laserového svazku 10a a vertikální složkou IQa-v polarizace impulzu dílčího čerpacího laserového svazku 10a, ale také vzájemný posun Δί obou složek polarizace impulzu dílčího signálového laserového svazku 8a, tedy jak vertikální složky 8a-y polarizace impulzu dílčího signálového laserového svazku 8a, tak horizontální složky 8a-x polarizace impulzu dílčího signálového laserového svazku 8a, vůči nezpožděné složce polarizace dílčího čerpacího impulzu, které je předmětem měření a následné stabilizace synchronizace.Giant. 6 shows the mutual orientation and position of the individual pulse polarization components of the two parts of the combined beam 12 and their possible overlap in a preferred embodiment. The mutual delay of the individual pulse components is determined by the basic delay At of the pulses entering the synchronizing device 6 and the fixed time detuning τ between in this preferred embodiment the polarization components of the subpump 10a, which arises inside the synchronizing device 6. The figure therefore shows not only constant time shift τ between the horizontal component IQa-x of the polarization of the pulse of the partial pump laser beam 10a and the vertical component IQa-v of the polarization of the pulse of the partial pump laser beam 10a, but also the mutual shift posunί of the two polarization components of the sub-signal laser beam 8a, i.e. the vertical components 8a-y of polarization of the partial signal laser beam pulse 8a and the horizontal component 8a-x of the polarization component of the partial signal laser beam 8a, relative to the non-delayed polarization component of the partial pump pulse which is the subject of the measurement and the subsequent stabilization of the synchronization.
Vzájemného zpoždění složek polarizace lze také aplikovat na složky polarizace dílčího signálového svazku 8a, přičemž výsledek měření by byl obdobný, nicméně dílčí signálový svazek 8a je obvykle širokospektrální a je nutné tomu přizpůsobit zpožďovací člen tak, aby nedošlo k časovému rozšíření impulzů dílčího signálového svazku 8a.The mutual delay of the polarization components can also be applied to the polarization components of the sub-signal beam 8a, the measurement result being similar, however the sub-signal beam 8a is usually broad-spectrum and the delay element must be adapted so that the pulses of the sub-signal beam 8a do not spread over time.
Příklady uskutečnění vynálezuExamples of embodiments of the invention
Ve výhodném provedení jsou polopropustná zrcadla 7 sloužící k vyvázání dílčích laserových svazků pro synchronizační zařízení 9 z materiálu s nízkou hodnotou změny indexu lomu pro předem dané vlnové délky impulzů, tzv. Low-GDD, určené k tomu, aby nedocházelo k časovému rozšiřování laserových impulzů vlivem průchodu materiálem.In a preferred embodiment, the semi-transparent mirrors 7 for untying the laser sub-beams for the synchronizing device 9 are made of a material with a low refractive index change value for predetermined pulse wavelengths, so-called Low-GDD, designed to prevent laser pulses from propagating due to time. passage of material.
Experimentální uspořádání podle schématu na obr. 3 nebo obr. 4, přičemž byly použity následující kombinace prvků:Experimental setup according to the scheme in Fig. 3 or Fig. 4, using the following combinations of elements:
- Prvek stáčející rovinu polarizace 13, 17 přizpůsobuje natočení roviny polarizace o 45° vůči následujícím optickým prvkům tak, aby oba svazky obsahovaly vertikální i horizontální složku polarizace v optimálním poměru 50:50. Používanými prvky jsou půlvlnná fázová destička, Faradayův rotátor, soustava zrcadel.- The element twisting the polarization plane 13, 17 adjusts the rotation of the polarization plane by 45 ° with respect to the following optical elements so that both beams contain the vertical and horizontal polarization components in an optimal ratio of 50:50. The elements used are a half-wave phase plate, a Faraday rotator, a system of mirrors.
- Prvek oddělující složky polarizace 14, 15, 21 slouží k navedení horizontální a vertikální složky polarizace příslušného laserového svazku na rozdílné optické dráhy. Používanými prvky jsou polarizační dělič svazku, polarizační kostka, tenkovrstvý polarizační film, hranol Nikol, hranol Glan-Thompson, hranol Glan-Taylor.- The element separating the polarization components 14, 15, 21 serves to guide the horizontal and vertical polarization components of the respective laser beam to different optical paths. The elements used are a polarizing beam splitter, a polarizing cube, a thin-film polarizing film, a Nikol prism, a Glan-Thompson prism, a Glan-Taylor prism.
- Zpožďující prvek 16 způsobuje vzájemné zpoždění horizontální a vertikální složky polarizace jednoho z dílčích svazků, ve výhodném provedení dílčího čerpacího svazku. Žádoucí zpoždění τ je přibližně rovno délce delšího ze dvou interagujících impulzů. Vhodnou realizací zpožďujícího prvku je zpožďující destička, zpožďovací linka realizovaná soustavou zrcadel, nebo destička z dvojlomného materiálu, např. 1,9 mm destička dvojlomného vápence.The delay element 16 causes a mutual delay of the horizontal and vertical polarization components of one of the sub-beams, in a preferred embodiment of the sub-pump beam. The desired delay τ is approximately equal to the length of the longer of the two interacting pulses. A suitable implementation of the delay element is a delay plate, a delay line realized by a system of mirrors, or a plate made of birefringent material, eg a 1.9 mm plate of birefringent limestone.
-9CZ 305899 B6-9CZ 305899 B6
- Spojující prvek 18 je používán k navedení dvou svazků stejné nebo rozdílné vlnové délky na společnou optickou trasu. Prvky používanými v realizovaném experimentu jsou dichroické zrcadlo, difrakční mřížka.- The connecting element 18 is used to guide two beams of the same or different wavelength to a common optical path. The elements used in the realized experiment are a dichroic mirror, a diffraction grating.
- Anizotropní nelineární prostředí vykazující jev OPA 19 jsou obvykle nelineární krystaly, přičemž volba vhodného materiálu závisí především na vlnových délkách použitých laserových svazků. Experimentálně se používají optické krystaly BBO (β-Baryum Borate), nebo LBO (Lithium Triborate), nebo KDP (Potassium Dihydrogen Phosphate), nebo DKDP (Potassium Dideuterium Phosphate), nebo BiBO (Bismuth Borate), nebo YCOB (Yttrium Calcium Oxoborate), nebo LÍNBO3 (Lithium niobáte), nebo KTP (Potassium Titanyl Phosphate).- Anisotropic nonlinear media exhibiting the phenomenon of OPA 19 are usually nonlinear crystals, while the choice of a suitable material depends mainly on the wavelengths of the laser beams used. BBO (β-Barium Borate) or LBO (Lithium Triborate) or KDP (Potassium Dihydrogen Phosphate) or DKDP (Potassium Dideuterium Phosphate), or BiBO (Bismuth Borate), or YCOB (Yttrium Calcium Oxoborate) are used experimentally. , or LINBO3 (Lithium niobate), or KTP (Potassium Titanyl Phosphate).
- Volba parametrů pásmového optického filtru 20 závisí na volbě fotodetektoru 22 určeného k detekci intenzity složek polarizace měřeného svazku.- The choice of the parameters of the band optical filter 20 depends on the choice of the photodetector 22 intended to detect the intensity of the polarization components of the measured beam.
- Fotodetektorem 22 může být softwarově nebo hardwarově vyvážený fotodetektor s časovým rozlišením. Volba vhodného detektoru závisí na měřené vlnové délce. Použitými prvky byla fotodioda, fotonásobič nebo fototranzistor.The photodetector 22 may be a software or hardware balanced time resolution photodetector. The choice of a suitable detector depends on the measured wavelength. The elements used were a photodiode, a photomultiplier or a phototransistor.
Průmyslová využitelnostIndustrial applicability
Metoda a zařízení pro časovou synchronizaci pikosekundových a sub-pikosekundových laserových impulzů jsou klíčové pro vývoj a provoz vysokovýkonových laserových systémů, založených na zesilování pomocí nelineárních jevů, které vyžadují přesnou prostorovou a časovou synchronizaci čerpacího a signálového laserového svazku.The method and apparatus for time synchronization of picosecond and sub-picosecond laser pulses are key to the development and operation of high power laser systems based on amplification using nonlinear phenomena that require precise spatial and temporal synchronization of the pump and signal laser beams.
Claims (18)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CZ2014-61A CZ305899B6 (en) | 2014-01-27 | 2014-01-27 | Method of time synchronization of picoseconds and sub-picoseconds laser pulses and apparatus for making the same |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CZ2014-61A CZ305899B6 (en) | 2014-01-27 | 2014-01-27 | Method of time synchronization of picoseconds and sub-picoseconds laser pulses and apparatus for making the same |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CZ201461A3 CZ201461A3 (en) | 2015-08-12 |
| CZ305899B6 true CZ305899B6 (en) | 2016-04-27 |
Family
ID=53838141
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CZ2014-61A CZ305899B6 (en) | 2014-01-27 | 2014-01-27 | Method of time synchronization of picoseconds and sub-picoseconds laser pulses and apparatus for making the same |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CZ (1) | CZ305899B6 (en) |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6191861B1 (en) * | 1999-02-13 | 2001-02-20 | Mcbranch Duncan W. | Femtosecond chirp-free transient absorption method and apparatus |
| US20050271094A1 (en) * | 2004-05-14 | 2005-12-08 | Miller Robert J D | Method and apparatus for high power optical amplification in the infrared wavelength range (0.7-20 mum) |
| EP2038968A1 (en) * | 2006-07-11 | 2009-03-25 | Thales | Method for amplification by spatio-temporal frequency conversion and device for carrying out said method |
-
2014
- 2014-01-27 CZ CZ2014-61A patent/CZ305899B6/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6191861B1 (en) * | 1999-02-13 | 2001-02-20 | Mcbranch Duncan W. | Femtosecond chirp-free transient absorption method and apparatus |
| US20050271094A1 (en) * | 2004-05-14 | 2005-12-08 | Miller Robert J D | Method and apparatus for high power optical amplification in the infrared wavelength range (0.7-20 mum) |
| EP2038968A1 (en) * | 2006-07-11 | 2009-03-25 | Thales | Method for amplification by spatio-temporal frequency conversion and device for carrying out said method |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| Hana Turcicová: Nepredstavitelne krátké laserové impulsy, Vesmír 92, 2/80, 2013 * |
| Ing. Ondrej Novák: Optické parametrické zesilování cerpovaných impulsu v nelineárních krystalech cerpaných jódovým fotodisosiacním laserem, Disertacní práce, CVUT Praha, 5/2013 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CZ201461A3 (en) | 2015-08-12 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Wei et al. | Ultrafast spectral dynamics of dual-color-soliton intracavity collision in a mode-locked fiber laser | |
| Li et al. | Optical-fiber source of polarization-entangled photons in the 1550 nm telecom band | |
| US8982450B2 (en) | Methods and apparatus for broadband frequency comb stabilization | |
| JP5488342B2 (en) | Quantum correlation photon pair generation method and quantum correlation photon pair generation apparatus | |
| US9240670B2 (en) | Optical pulse source with increased peak power | |
| US7570851B2 (en) | Ultrashort photonic waveform measurement using quasi-phase-matched non-linear optics | |
| Wang et al. | Polarization-entangled mode-locked photons from cavity-enhanced spontaneous parametric down-conversion | |
| US20100309469A1 (en) | System and method for entangled photons generation and measurement | |
| US20100208334A1 (en) | System and method for entangled photons generation and measurement | |
| US10020632B2 (en) | UV-visible laser system having ultrashort highpower and/or high-energy pulses | |
| O’Donnell et al. | Time-resolved up-conversion of entangled photon pairs | |
| EP1886107A1 (en) | Ultra-short optical pulse measurement using a thick nonlinear crystal | |
| KR102005267B1 (en) | Interferometer and method for controlling the coalescence of a pair of photons | |
| JP2006013573A (en) | Quantum optical transmission apparatus | |
| EP2899816B1 (en) | Method and device for time synchronization of picosecond and subpicosecond laser pulses | |
| CN102255225A (en) | Independent chirp parameter regulating system for realizing two-tone laser field | |
| CN103444018A (en) | Stabilized femtosecond pulsed laser and stabilization method | |
| JP5747768B2 (en) | Quantum key distribution method and quantum key distribution system | |
| CZ305899B6 (en) | Method of time synchronization of picoseconds and sub-picoseconds laser pulses and apparatus for making the same | |
| Sinkevicius et al. | Investigation of frequency response of pockels cells based on beta barium borate crystals | |
| JP5550040B2 (en) | Optical control delay device and spectroscopic device | |
| EP3264540B1 (en) | Device and method for determining a temporal relationship of laser pulses, and applications thereof | |
| Davis et al. | Measuring the Temporal-Spectral State of Two Photons | |
| Supe et al. | Comparison of Different FWM Realization Methods in Optical Fibre | |
| Müller et al. | Phase stabilization of multidimensional amplification architectures for ultrashort pulses |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | Patent lapsed due to non-payment of fee |
Effective date: 20190127 |