PL220945B1 - Układ optyczny biegu wiązek laserowych w streczerze w geometrii Öffnera - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest układ optyczny biegu wiązek laserowych w streczerze w geometrii

Offnera. Bardziej szczegółowo, wynalazek dotyczy układu optycznego do czasowego rozciągania impulsów laserowych, dalej zwanego streczerem.

Typowo układ streczera stosuje się w różnego typu optycznych wzmacniaczach ultrakrótkich impulsów laserowych. W przypadku wzmacniacza parametrycznego krótki impuls przed wzmocnieniem jest rozciągany w domenie czasu, aby w procesie parametrycznego wzmocnienia uzyskać możliwie duże przekrywanie czasowe z laserem pompującym - i w efekcie uzyskać wysoką efektywność przekazywania energii. W przypadku zwykłego wzmacniacza laserowego, na przykład opartego na krysztale szafiru domieszkowanego jonami tytanu, impuls laserowy rozciągany jest w celu obniżenia mocy szczytowej impulsu i zapobieganiu zniszczenia optyki wzmacniacza oraz nabudowania niekompresowanej nieliniowej fazy spektralnej.

Po wzmocnieniu impuls laserowy jest ponownie kompresowany, w miarę możliwości, do pierwotnego czasu trwania.

Z opisanego kontekstu wynikają specyficzne wymagania dla samego układu streczera:

• ponieważ w przypadku parametrycznego wzmocnienia uzyskiwana efektywność układu wzmacniacza zależy bezpośrednio od przekrywania czasowego impulsu wzmacnianego i pompującego, co w połączeniu z typowym czasem trwania impulsu pompującego wynoszącym kilka nanosekund, narzuca warunek znacznego rozciągnięcia czasowego impulsu wzmacnianego;

• późniejsza kompresja impulsu do czasu „fourierowsko-ograniczonego” (wynikającego z szerokości pasma) powinna być możliwie prosta - wprowadzana wcześniej dyspersja powinna być łatwa do skompensowania;

• układ powinien działać w możliwie dużym zakresie długości fal;

• wprowadzane przez streczer aberracje powinny być możliwie małe;

• wymaganiem oczywistym, ale istotnym jest prostota i możliwie niski koszt wykonania układu.

Przy obecnym stanie techniki znane są 2 główne rodzaje streczerów będących w stanie zapewnić rozciągnięcie impulsu o oczekiwanym rzędzie wielkości. Są to rozwiązania oparte o: światłowód albo siatkę dyfrakcyjną.

Streczery światłowodowe wprowadzają znaczną dyspersję materiałową, której późniejsza kompensacja w kompresorze jest skomplikowana. Co więcej, w przypadku ultrakrótkich impulsów o znacznej mocy szczytowej podczas propagacji w światłowodzie pojawiają się niekorzystne efekty nieliniowe.

Szerzej stosowane są obecnie streczery siatkowe. Dwie najbardziej znane konfiguracje to układy:

• Martineza - obecna jest w nim jednak znaczna aberracja sferyczna, na skutek której kompresja impulsu za pomocą streczera siatkowego jest niezbyt skuteczna (pozostaje nieskompensowana dyspersja głównie czwartego rzędu) • Offnera (z trypletem Offnera) - o znacznie mniejszej lub zerowej aberracji (G. Cheriaux, P. Rousseau, F. Salin, J. Chambaret, B. Walker, and L. Dimauro, „Aberration-free stretcher design for ultrashort-pulse amplification”, Opt. Lett. 21, 414-416 (1996)) występuje w 2 wariantach:

1. z dwoma siatkami dyfrakcyjnymi - układ jest bezaberracyjny (Aberration-Free Offner Stretcher), ale wymaga precyzyjnego ustawienia obydwu siatek dyfrakcyjnych, co jest trudne do praktycznego zrealizowania;

2. z jedną siatką dyfrakcyjną przesuniętą poza wspólny środek krzywizny zwierciadeł (Off-Center Offner Stretcher) - uzyskuje się mniejszy stopień komplikacji układu i większą odporność na niedokładność ustawienia, kosztem niewielkiej aberracji sferycznej, powodującej pojawienie się dodatkowej fazy spektralnej - głównie czwartego rzędu.

Drugie z wymienionych rozwiązań, streczer z trypletem Offnera i jedną siatką dyfrakcyjną uznaje się za wyjątkowo korzystne. Opisywana konstrukcja zapewnia oczekiwane rozciągnięcie czasowe, umożliwia skuteczne odwrócenie tego procesu za pomocą prostego kompresora siatkowego, przy zastosowaniu elementów optycznych o odpowiednio dużych aperturach: zwierciadła wklęsłego i siatki dyfrakcyjnej może działać w szerokim zakresie długości fal.

Niestety podczas budowy układu pojawia się kilka bardzo istotnych problemów natury praktycznej.

PL 220 945 B1

Bieg promieni w układzie typowego streczera typu Off-Center Offner Stretcher, z uwzględnieniem podwójnego przejścia przez cały układ (w celu zwiększenia rozciągnięcia czasowego i powrotu do pierwotnego kształtu wiązki laserowej) jest znane z literatury (G. Cheriaux, P. Rousseau, F. Salin, J. Chambaret, B. Walk e r, and L. Dimauro, „Aberration-free stretcher design for ultrashort-pulse amplification”, Opt. Lett. 21,414-416 (1996)) i przedstawione poniżej na fig. 1-2.

Zgodnie z powyższym stanem techniki wiązka o znacznej szerokości w płaszczyźnie stołu optycznego przechodzi nad, a następnie pod zwierciadłem wypukłym. Wynika z tego, konieczność minimalizacji wysokości zwierciadła przy jego znacznej długości oraz wymaganej dokładności kształtu - powoduje to duże trudności i koszty związane z wykonaniem takiego zwierciadła, a ponadto istnieje problem ze stabilnym, ale zapewniającym regulację zamocowaniem zwierciadła w taki sposób, aby mocowanie nie przesłaniało biegu wiązki.

W celu rozwiązania problemów konstrukcyjnych w streczerze typu Off-Center Offner Stretcher nieoczekiwanie możliwe okazało się zmodyfikowanie biegu wiązki w pionie.

Dlatego też celem obecnego wynalazku jest zapewnienie nowego, ulepszonego układu optycznego biegu wiązek laserowych w streczerze w geometrii Offnera, pozbawionego powyższych wad.

Zgodnie z wynalazkiem układ optyczny biegu wiązek laserowych w streczerze w geometrii Offnera, zawierający element zawracający wiązkę oraz położone na wspólnej osi optycznej x następujące elementy: siatkę dyfrakcyjną, zwierciadło wklęsłe i zwierciadło wypukłe, charakteryzuje się tym, że środek krzywizny przynajmniej jednego ze zwierciadeł jest przesunięty poza wspólną oś optyczną x układu.

Korzystnie środek krzywizny zwierciadła wypukłego znajduje się poza osią optyczną x, a środek krzywizny zwierciadła wklęsłego znajduje się na osi optycznej x.

Korzystnie element zawracający wiązkę stanowi co najmniej jedno zwierciadło płaskie albo pryzmat dachowy.

Korzystnie układ według wynalazku jest zrealizowany na stole optycznym.

Korzystnie środek krzywizny zwierciadła wypukłego jest odchylony pionowo w dół albo pionowo w górę od osi optycznej x.

Zmodyfikowanie biegu wiązki w układzie optycznym biegu wiązek laserowych w streczerze w geometrii Offnera według obecnego wynalazku poprzez pochylenie zwierciadła wklęsłego lub zwierciadła wypukłego (tym samym przesunięciu w pionie jego środka krzywizny) powoduje, że wiązka ta może przechodzić tylko z jednej strony zwierciadła wypukłego.

Wynalazek zostanie teraz bliżej przedstawiony w korzystnym przykładzie wykonania, z odniesieniem do załączonych rysunków, na których:

fig. 1 (stan techniki) przedstawia widok z boku biegu promieni w układzie znanego streczera; fig. 2 (stan techniki) przedstawia położenie wiązki w kolejnych przejściach na zwierciadle L1; fig. 3 przedstawia bieg wiązki w proponowanym układzie streczera według wynalazku, zaś fig. 4 przedstawia położenie wiązki w kolejnych przejściach na zwierciadle L1 w układzie według wynalazku.

Na rysunku użyto następujących oznaczeń: L1 - zwierciadło wklęsłe, L2 - zwierciadło wypukłe, L3 - zwierciadło płaskie, SD - siatka dyfrakcyjna, L34 - element zawracający wiązkę, A - wiązka wchodząca, B - wiązka wychodząca, x - oś optyczna.

Znane rozwiązania ze stanu techniki przedstawiono na fig. 1 i fig. 2.

Korzystny przykład wykonania wynalazku

Przykład odniesienia - stan techniki

W przykładzie odniesienia znanym ze stanu techniki przedstawionym na fig. 1 układ biegu wiązek laserowych w streczerze w geometrii Offnera składa się ze zwierciadła wklęsłego L1 o promieniu krzywizny R, zwierciadła wypukłego L2 o promieniu krzywizny -R/2, dwóch zwierciadeł płaskich L3 albo pryzmatów dachowych stanowiących element zawracający wiązkę L34 oraz siatki dyfrakcyjnej SD. Zwierciadła L1 oraz L2 są ustawione w taki sposób aby ich środek krzywizny znajdował się w tym samym punkcie.

Schemat biegu wiązki wchodzącej A w układzie znanym ze stanu techniki jest następujący: wiązka A wchodzi do układu streczera i przechodzi pomiędzy elementem L34 nad zwierciadłem L2, w płaszczyźnie SD ugina się na siatce dyfrakcyjnej (w tym miejscu jest rozszczepiona widmowo w płaszczyźnie równoległej do stołu optycznego jest rozbieżna), następnie odbija się od zwierciadła wklęsłego L1, wypukłego L2, ponownie L1, po czym ugina się na siatce dyfrakcyjnej (ma znaczną szerokość, ale poszczególne składowe widmowe są równoległe do siebie), potem jest zawracana

PL 220 945 B1 i przesuwana w pionie przez element L34 (dwa zwierciadła L3 lub pryzmaty dachowe), biegnie w kierunku przeciwnym w kolejności odpowiednio siatka SD, zwierciadła L1, L2, L1, ponownie siatka dyfrakcyjna i opuszcza układ jako wiązka B pod zwierciadłem L2.

Na fig. 2 przedstawiono wysokość wiązki w kolejnych przejściach na zwierciadle L1 znanego rozwiązania.

W tym rozwiązaniu znanym ze stanu techniki wiązka wchodząca A przechodzi nad zwierciadłem wypukłym L2, a wychodzi jako wiązka B pod zwierciadłem wypukłym L2.

Przykład wykonania - według wynalazku

W korzystnym przykładzie wykonania przedstawionym na fig. 3 układ optyczny biegu wiązek laserowych w streczerze w geometrii Óffnera zawiera zwierciadło wklęsłe L1 o promieniu krzywizny R, zwierciadło wypukłe L2 o promieniu krzywizny - R/2, jedno zwierciadło płaskie L3, siatkę dyfrakcyjną SD. W zrealizowanym układzie według wynalazku środek krzywizny zwierciadła jednego ze zwierciadeł L1 lub L2 przesunięto odpowiednio w górę lub w dół, w związku z tym w efekcie końcowym wiązka A przechodzi tylko nad zwierciadłem L2, to jest z jednej strony zwierciadła L2.

Schemat biegu wiązki wchodzącej A w układzie według obecnego wynalazku jest następujący: wiązka wchodząca A wpada do streczera równolegle do stołu optycznego, rozszczepia się na siatce dyfrakcyjnej SD, następnie odbija się od zwierciadeł: wklęsłego L1, wypukłego L2, ponownie L1, potem odbija się i jest kolimowana na siatce SD, po czym jest zawracana (bez przesunięcia, pod małym kątem) na zwierciadle płaskim L3 i biegnie w kierunku przeciwnym w kolejności odpowiednio siatka SD, zwierciadła L1, L2, L1, a a ugięta na siatce SD ma ponownie kształt kołowy, jest skolimowana i jako wiązka wychodząca B opuszcza układ według wynalazku pod niewielkim kątem względem wiązki wchodzącej A, co stanowi istotną różnicę w porównaniu z rozwiązaniem przedstawionym powyżej w przykładzie odniesienia, znanym ze stanu techniki.

Ponadto na fig. 4 przedstawiono wysokość wiązki A w kolejnych przejściach na zwierciadle L1 w układzie według wynalazku.

W układzie optycznym według obecnego wynalazku można zastosować:

- wyższe zwierciadło wypukłe, które jest łatwiejsze do wykonania, a jednocześnie o wiele tańsze,

- uproszczoną i stabilniejszą konstrukcję mocowania zwierciadła wypukłego - do dyspozycji na ten cel pozostaje cała przestrzeń pod zwierciadłem, zwierciadło nie jest zamocowane na końcach i zawieszone nad powierzchnią stołu optycznego, oraz

- w przybliżeniu dwukrotnie mniejszą (niższą) siatkę dyfrakcyjną - dzięki temu, że odległość między padającymi na nią wiązkami jest mniejsza; obniża to łączny koszt układu.

Eksperymentalna próba ponownej kompresji impulsu rozciągniętego w streczerze o proponowanej konstrukcji wykazały, że wymagane przesunięcie środka krzywizny zwierciadła L1 lub L2 rzędu kilku milimetrów ma niewielki wpływ na fazę impulsu opuszczającego streczer i aberracje wiązki.

Claims (5)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Układ optyczny biegu wiązek laserowych w streczerze w geometrii Óffnera, zawierający element zawracający wiązkę oraz położone na wspólnej osi optycznej x następujące elementy: siatkę dyfrakcyjną (SD), zwierciadło wklęsłe (L1) i zwierciadło wypukłe (L2), znamienny tym, że środek krzywizny przynajmniej jednego ze zwierciadeł (L1) lub (L2) jest przesunięty poza wspólną oś optyczną x układu.
2. 2. Układ według zastrz. 1, znamienny tym, że środek krzywizny zwierciadła wypukłego (L2) znajduje się poza osią optyczną x, a środek krzywizny zwierciadła wklęsłego (L1) znajduje się na osi optycznej x.
3. 3. Układ według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że element zawracający wiązkę stanowi co najmniej jedno zwierciadło płaskie (L3) albo pryzmat dachowy.
4. 4. Układ według zastrz. 1, 2 albo 3, znamienny tym, że jest zrealizowany na stole optycznym.
5. 5. Układ według zastrz. 4, znamienny tym, że środek krzywizny zwierciadła wypukłego (L2) jest odchylony pionowo w dół albo pionowo w górę od osi optycznej x.