RU2252470C2

RU2252470C2 - Femtosecond pulse generator

Info

Publication number: RU2252470C2
Application number: RU2003104707/28A
Authority: RU
Inventors: А.М. Сергеев (RU); А.М. Сергеев; А.В. Кирсанов (RU); А.В. Кирсанов; А.М. Киселёв (RU); А.М. Киселёв; А.А. Бабин (RU); А.А. Бабин
Original assignee: Институт прикладной физики РАН
Priority date: 2003-02-17
Filing date: 2003-02-17
Publication date: 2005-05-20

Abstract

FIELD: superhigh-definition spectroscopy, devices for laser acceleration of charged particles, microelectronics, precision material treatment, and optical memory devices.

SUBSTANCE: proposed femtosecond pulse generator is used to generate ultrashort (10^-13 - 10^-15) photon pulses. Newly introduced in active medium resonator that has nontransmitting flat mirror, semitransparent flat mirror, focusing system of concave mirrors, and dispersion corrector of two prisms spaced apart through distance d are first and second optically intercoupled auxiliary nontransmitting mirrors. First auxiliary mirror is disposed at distance L > d from nontransmitting flat mirror second auxiliary mirror is optically coupled with semitransparent flat mirror. Nontransmitting flat mirror is tilted through small angle α chosen from interval l' < α < 60' relative to vertical plane perpendicular to incidence plane of beam; first auxiliary mirror is shifted in vertical plane, for instance, downwards relative to level of other mirrors, by Ltgα.

EFFECT: reduced cost, facilitated adjustment and tuning, enhanced operating stability of generator.

4 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к устройствам для генерирования ультракоротких (10^-13÷ 10^-15 с) световых импульсов и может быть использовано во многих областях как науки (спектроскопия сверхвысокого временного разрешения, исследования по короткоимпульсным источникам и лазерам рентгеновского и УФ диапазонов частот, лазерное ускорение заряженных частиц, термоядерный синтез), так и техники (микроэлектроника, прецизионная обработка материалов, создание устройств оптической памяти, тонкие хирургические операции).The invention relates to devices for generating ultrashort (10 ^-13 ÷ 10 ^-15 s) light pulses and can be used in many fields as a science (ultra-high-resolution spectroscopy, studies on short-pulse sources and lasers in X-ray and UV frequency ranges, laser acceleration of charged particles thermonuclear fusion), and technology (microelectronics, precision processing of materials, the creation of optical memory devices, delicate surgical operations).

Известно, что для генерирования ультракоротких фемтосекундных световых импульсов необходимо обеспечение трех условий: во-первых, наличие широкополосной активной среды в резонаторе генератора; во-вторых, синхронизация очень большого числа мод в упомянутом резонаторе; и в-третьих, полная компенсация положительной дисперсии, вносимой в резонатор упомянутой активной средой (П.Г.Крюков "Лазерные ультракороткие импульсы и их применение". Волоконно-оптические технологии, материалы и устройства, №2, 1999, с.63-96).It is known that for the generation of ultrashort femtosecond light pulses it is necessary to ensure three conditions: firstly, the presence of a broadband active medium in the resonator of the generator; secondly, the synchronization of a very large number of modes in the said resonator; and thirdly, the full compensation of the positive dispersion introduced into the resonator by the aforementioned active medium (P. G. Kryukov “Ultra-short laser pulses and their application.” Fiber-optic technologies, materials and devices, No. 2, 1999, pp. 63-96 )

В настоящее время в качестве широкополосной активной среды в резонаторе генератора фемтосекундных импульсов чаще всего используют твердотельные кристаллы из группы вибронных кристаллов: Ti³⁺: Аl₂O₃(сапфир), Cr⁴⁺: YAG (черный гранат); Cr³⁺: LiSrAlF₆; Cr⁴⁺: Mg₂SiO₄ (форстерит).Currently, solid-state crystals from the group of vibronic crystals are most often used as a broadband active medium in the resonator of a femtosecond pulse generator: Ti ³⁺ : Al ₂ O ₃ (sapphire), Cr ⁴⁺ : YAG (black garnet); Cr ³⁺ : LiSrAlF ₆ ; Cr ⁴⁺ : Mg ₂ SiO ₄ (forsterite).

Всем перечисленным выше условиям генерирования ультракоротких импульсов удовлетворяет известная конструкция генератора фемтосекундных импульсов на твердотельном кристалле, а именно на сапфире, легированном ионами титана и обычно обозначаемом в публикациях Ti:Sa, с кольцевым резонатором и компенсатором дисперсии в виде двух пар призм из фторида серы SF (Патент США №5383198, М.кл.⁶ Н 01 S 3/098, публик. 1995 г.). Этот известный генератор фемтосекундных импульсов на кристалле Ti:Sa содержит аргоновый лазер накачки для указанного кристалла Ti:Sa и кольцевой резонатор, образованный глухим плоским зеркалом, полупрозрачным плоским зеркалом, фокусирующей системой из первого и второго вогнутых зеркал и компенсатором дисперсии в виде оптически связанных между собой двух пар призм. Внутри упомянутой фокусирующей системы из вогнутых зеркал установлена активная среда в виде кристалла Ti:Sa. Данная конструкция генератора фемтосекундных импульсов обеспечивает ультракороткие световые импульсы следующей длительности: для излучения, распространяющегося в кольцевом резонаторе в направлении по часовой стрелке (in clokwise direction, CW), получены импульсы с длительностью порядка 95 фс (фемтосекунд), а для излучения, распространяющегося в направлении против часовой стрелки (in counter-clockwise direction, CCW), получены импульсы с длительностью 60 фс. Использование кольцевого резонатора в данной конструкции обеспечивает фемтосекундный режим работы генератора в центре области устойчивости резонатора, что позволяет получить оптимальную выходную мощность и использовать для работы генератора кристаллы Ti:Sa со стандартной концентрацией ионов титана 0,05÷ 0,1%, длиной 10÷ 20 мм, выпускаемые как за рубежом, так и отечественной промышленностью. Кроме того, в такой конструкции генератора импульс излучения за полный обход по резонатору только один раз проходит через активную среду, поэтому дисперсия, вносимая в резонатор активной средой, оказывается в два раза меньше по сравнению со случаем использования линейного резонатора. Однако данная конструкция очень сложна в настройке, поскольку для возникновения и поддержания режима генерации фемтосекундных импульсов необходимо выравнивать расстояния между призмами компенсатора дисперсии в каждой паре с высокой точностью (погрешность не более десятка микрометров), из-за этого даже небольшие изменения положения какой-либо из четырех призм компенсатора срывают генерацию фемтосекундных импульсов. Кроме того, для запуска режима фемтосекундных импульсов в данной конструкции требуется специальное дополнительное оптико-механическое приспособление, выполненное в виде дополнительного глухого плоского зеркала с механизмом возвратно-поступательного перемещения.All the above conditions for the generation of ultrashort pulses are satisfied by the well-known design of a femtosecond pulse generator on a solid-state crystal, namely on sapphire doped with titanium ions and usually denoted in Ti: Sa publications, with a ring resonator and dispersion compensator in the form of two pairs of SF sulfur fluoride prisms ( U.S. Patent No. 5,383,198, M.C. ⁶ H 01 S 3/098, publ. 1995). This known generator of femtosecond pulses on a Ti: Sa crystal contains an argon pump laser for the specified Ti: Sa crystal and a ring resonator formed by a deaf plane mirror, a translucent plane mirror, a focusing system of the first and second concave mirrors, and a dispersion compensator in the form of optically interconnected two pairs of prisms. An active medium in the form of a Ti: Sa crystal is installed inside the said focusing system from concave mirrors. This design of the femtosecond pulse generator provides ultrashort light pulses of the following duration: for radiation propagating in the ring resonator in the clockwise direction (in clokwise direction, CW), pulses with a duration of the order of 95 fs (femtoseconds) are received, and for radiation propagating in the direction counterclockwise (in counter-clockwise direction, CCW), pulses with a duration of 60 fs are received. The use of a ring resonator in this design provides a femtosecond mode of operation of the generator in the center of the stability region of the resonator, which allows one to obtain optimal output power and use Ti: Sa crystals with a standard concentration of titanium ions of 0.05 ÷ 0.1%, length 10 ÷ 20 mm, produced both abroad and by domestic industry. In addition, in this design of the generator, the radiation pulse for a complete round trip through the resonator passes only once through the active medium, therefore, the dispersion introduced into the resonator by the active medium turns out to be half as much as in the case of using a linear resonator. However, this design is very difficult to set up, because for the emergence and maintenance of the generation mode of femtosecond pulses it is necessary to align the distances between the prisms of the dispersion compensator in each pair with high accuracy (error of not more than a dozen micrometers), because of this, even small changes in the position of any four prisms of the compensator disrupt the generation of femtosecond pulses. In addition, to start the femtosecond pulse mode in this design, a special additional optical-mechanical device is required, made in the form of an additional blank flat mirror with a reciprocating movement mechanism.

Более удобной для запуска и эксплуатации является конструкция генератора фемтосекундных импульсов с кольцевым резонатором, в котором в качестве компенсатора положительной дисперсии активной среды используются так называемые чирпированные многослойные диэлектрические зеркала (международная заявка WO 00/72412 А1, М.кл.⁷ Н 01 S 3/098, публик. 30.11.2000 г.). Эта конструкция генератора на кристалле Ti:Sa содержит лазер накачки для кристалла Ti:Sa и кольцевой резонатор, образованный тремя глухими чирпированными плоскими зеркалами, полупрозрачным выходным зеркалом и фокусирующей системой из первого и второго вогнутых зеркал. Внутри упомянутой фокусирующей системы установлена активная среда в виде кристалла Ti:Sa. Данная конструкция позволяет получать ультракороткие световые импульсы длительностью 25 фс. Используемые в этой конструкции чирпированные зеркала должны обеспечивать не только максимальное отражение в требуемой широкой области спектра, но и вносить необходимое линейное изменение фазы от длины волны (чирп). Однако фазовые характеристики чирпированных зеркал чрезвычайно чувствительны даже к незначительным вариациям толщины диэлектрических слоев, из которых они состоят, что предъявляет жесткие требования к точности их расчета и изготовления, поэтому стоимость их достигает нескольких тысяч долларов. Каждое чирпированное зеркало при отражении излучения хорошо компенсирует только малые величины положительной дисперсии в ограниченном спектральном диапазоне. Чаще всего вводят несколько специально подобранных пар этих зеркал, а внутри каждой пары организуют многопроходовое отражение, чтобы в сумме отрицательные дисперсии, возникающие при каждом отражении от чирпированных зеркал, компенсировали положительную дисперсию активной среды. Уменьшение оптической длины активной среды (кристалла Ti:Sa) до 2÷ 3 мм позволяет уменьшить положительную дисперсию в резонаторе и тем самым позволяет ослабить требования к фазовым характеристикам чирпированных зеркал, однако уменьшение длины кристалла Ti:Sa требует повышения концентрации ионов титана (Ti³⁺) до 0,25% при сохранении высоких лазерных характеристик кристалла, т.е. в этом случае требуются специально изготовленные высоколегированные кристаллы, которые не выпускаются отечественной промышленностью, что также удорожает стоимость конструкции генератора. Кроме того, в случае использования кристалла Ti:Sa с малыми размерами, например, с длиной кристалла 2,2 мм, как указанно в данном патенте, серьезной технической проблемой становится отвод тепла от кристалла.More convenient for start-up and operation is the design of a femtosecond pulse generator with a ring resonator, in which the so-called chirped multilayer dielectric mirrors are used as a compensator for the positive dispersion of the active medium (international application WO 00/72412 A1, M.cl. ⁷ H 01 S 3 / 098, published November 30, 2000). This design of a Ti: Sa crystal generator contains a pump laser for a Ti: Sa crystal and a ring resonator formed by three deaf chirped flat mirrors, a translucent output mirror and a focusing system of the first and second concave mirrors. An active medium in the form of a Ti: Sa crystal is installed inside the said focusing system. This design allows you to receive ultrashort light pulses with a duration of 25 fs. The chirped mirrors used in this design should not only provide maximum reflection in the required wide spectral region, but also introduce the necessary linear phase change in wavelength (chirp). However, the phase characteristics of chirped mirrors are extremely sensitive even to insignificant variations in the thickness of the dielectric layers of which they are composed, which imposes stringent requirements on the accuracy of their calculation and manufacturing, so their cost reaches several thousand dollars. Each chirped mirror upon reflection of radiation compensates well only small values of positive dispersion in a limited spectral range. Most often, several specially selected pairs of these mirrors are introduced, and multi-pass reflection is arranged inside each pair, so that in total the negative dispersions arising from each reflection from the chirped mirrors compensate for the positive dispersion of the active medium. Reducing the optical length of the active medium (Ti: Sa crystal) to 2–3 mm allows decreasing the positive dispersion in the cavity and thereby reduces the requirements for the phase characteristics of chirped mirrors, however, decreasing the length of the Ti: Sa crystal requires an increase in the concentration of titanium ions (Ti ³⁺ ) up to 0.25% while maintaining high laser characteristics of the crystal, i.e. in this case, specially made highly alloyed crystals are required, which are not produced by domestic industry, which also increases the cost of the generator design. In addition, in the case of using a Ti: Sa crystal with small dimensions, for example, with a crystal length of 2.2 mm, as indicated in this patent, heat removal from the crystal becomes a serious technical problem.

Более проста в настройке режима генерации фемтосекундных импульсов и более стабильна в работе конструкция генератора с линейным резонатором, в котором в качестве компенсатора дисперсии служит пара оптически связанных призм (патент США №5799025, М.кл.⁶ H 01 S 3/098, публ. 1998 г.). Эта конструкция, выбранная в качестве прототипа, содержит лазер накачки для активной среды и линейный резонатор, образованный глухим плоским зеркалом, первым и вторым вогнутыми зеркалами и полупрозрачным плоским зеркалом. Активная среда установлена внутри фокусирующей системы, образуемой упомянутыми первым и вторым вогнутыми зеркалами. При этом резонатор снабжен компенсатором дисперсии в виде оптически связанной посредством дополнительного плоского зеркала последовательности двух призм, которые размещены между упомянутыми вторым вогнутым зеркалом и глухим плоским зеркалом, а первое вогнутое зеркало оптически связано с упомянутым полупрозрачным плоским зеркалом. В частном случае выполнения данной конструкции в качестве активной среды использован кристалл Ti:Sa обычной длины 15 мм со стандартной концентрацией ионов титана. Эта конструкция обеспечивает генерацию ультракоротких световых импульсов с длительностью порядка 100 фс и с возможностью перестройки как ширины спектра этих импульсов (за счет перемещения призм), так и центральной частоты генерации (за счет поперечного перемещения щели, установленной перед упомянутым глухим плоским зеркалом).More simple in setting the mode of generation of femtosecond pulses and more stable in operation is the design of the generator with a linear resonator, in which a pair of optically coupled prisms serves as a dispersion compensator (US patent No. 5799025, Mcl. ⁶ H 01 S 3/098, publ. 1998). This design, selected as a prototype, contains a pump laser for the active medium and a linear resonator formed by a blank flat mirror, first and second concave mirrors, and a translucent flat mirror. The active medium is installed inside the focusing system formed by the said first and second concave mirrors. In this case, the resonator is equipped with a dispersion compensator in the form of a sequence of two prisms that are optically coupled by means of an additional flat mirror and are located between the second concave mirror and the blank flat mirror, and the first concave mirror is optically coupled to the said translucent flat mirror. In the particular case of the implementation of this design, a Ti: Sa crystal of a usual length of 15 mm with a standard concentration of titanium ions was used as an active medium. This design provides the generation of ultrashort light pulses with a duration of the order of 100 fs and with the possibility of tuning both the spectrum width of these pulses (due to the movement of prisms) and the central generation frequency (due to the transverse movement of the slit installed in front of the deaf flat mirror).

Недостатком генератора прототипа является довольно большая длительность фемтосекундных импульсов (100 фс) и невозможность получения более коротких импульсов из-за неэффективной компенсации положительной дисперсии групповой скорости в резонаторе.The disadvantage of the prototype generator is the rather long duration of femtosecond pulses (100 fs) and the inability to obtain shorter pulses due to inefficient compensation of the positive dispersion of the group velocity in the resonator.

Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является разработка конструкции относительно недорогого, легко настраиваемого, устойчиво работающего и перестраиваемого генератора фемтосекундных импульсов, позволяющего получать световые импульсы с длительностью порядка 10 фс и меньше.The problem to which the present invention is directed is the development of a relatively inexpensive, easily tunable, stably working and tunable femtosecond pulse generator, which allows to obtain light pulses with a duration of the order of 10 fs and less.

Технический результат в разработанном генераторе фемтосекундных импульсов достигается тем, что он, как и генератор прототип, содержит резонатор с активной средой и лазер накачки, при этом резонатор включает в себя глухое плоское зеркало, полупрозрачное плоское зеркало, фокусирующую систему из первого и второго вогнутых зеркал, в которой установлена упомянутая активная среда, оптически связанная с лазером накачки. Резонатор снабжен также компенсатором дисперсии в виде оптически связанной последовательности двух призм, установленных на расстоянии d друг от друга, которые размещены между упомянутыми вторым вогнутым зеркалом и глухим плоским зеркалом, а первое вогнутое зеркало оптически связано с полупрозрачным плоским зеркалом.The technical result in the developed femtosecond pulse generator is achieved by the fact that it, like the prototype generator, contains a resonator with an active medium and a pump laser, while the resonator includes a deaf plane mirror, a translucent plane mirror, a focusing system of the first and second concave mirrors, in which said active medium is installed, optically coupled to a pump laser. The resonator is also equipped with a dispersion compensator in the form of an optically coupled sequence of two prisms mounted at a distance d from each other, which are located between the second concave mirror and a deaf flat mirror, and the first concave mirror is optically coupled to a translucent flat mirror.

Новым в разработанном генераторе является то, что в резонатор введены первое и второе вспомогательные глухие зеркала, оптически связанные друг с другом, второе вспомогательное зеркало оптически связано с полупрозрачным плоским зеркалом, а упомянутое глухое плоское зеркало наклонено на малый угол α , выбираемый из интервала 1^/<α <60^/, относительно вертикальной плоскости, перпендикулярной плоскости падения луча. При этом первое вспомогательное зеркало расположено на расстоянии L>d от глухого плоского зеркала и установлено со смещением в вертикальной плоскости относительно уровня других зеркал на величину Ltgα .What is new in the developed generator is that the first and second auxiliary deaf mirrors optically coupled to each other are introduced into the resonator, the second auxiliary mirror is optically coupled to a translucent plane mirror, and the deaf plane mirror is inclined at a small angle α, chosen from the interval 1 ^/ <α <60 ^/ , relative to the vertical plane perpendicular to the plane of incidence of the beam. In this case, the first auxiliary mirror is located at a distance L> d from the blank plane mirror and is installed with an offset in the vertical plane relative to the level of other mirrors by the value Ltgα.

В первом частном случае изготовления генератора фемтосекундных импульсов целесообразно упомянутое глухое плоское зеркало наклонить на малый угол α , выбираемый из интервала 1^/<α <60^/, против часовой стрелки относительно вертикальной плоскости, перпендикулярной плоскости падения луча, при этом первое вспомогательное зеркало, расположенное на расстоянии L>d от глухого плоского зеркала, следует установить со смещением вниз на величину Ltgα в вертикальной плоскости относительно уровня других зеркал.In the first particular case of manufacturing a femtosecond pulse generator, it is advisable to tilt the aforementioned flat mirror to a small angle α, selected from the interval 1 ^/ <α <60 ^/ , counterclockwise relative to the vertical plane perpendicular to the plane of incidence of the beam, with the first auxiliary mirror located on the distance L> d from the blank plane mirror should be set with a downward shift by Ltgα in the vertical plane relative to the level of other mirrors.

Целесообразно во втором частном случае изготовления генератора обе призмы компенсатора дисперсии выполнить из материала LiF (фторид лития), а в качестве активной среды использовать кристалл Ti:Sa.In the second particular case of manufacturing the generator, it is advisable to perform both prisms of the dispersion compensator from LiF (lithium fluoride) material, and use a Ti: Sa crystal as the active medium.

В третьем частном случае целесообразно призмы компенсатора дисперсии расположить на расстоянии d=131,5 см друг от друга, а глухое плоское зеркало установить с наклоном относительно упомянутой вертикальной плоскости на угол α =12^/, при этом первое вспомогательное зеркало расположить на расстоянии L=150 см от глухого плоского зеркала и сместить его вниз в вертикальной плоскости на величину 5 мм.In the third particular case, it is advisable to place the dispersion compensator prisms at a distance d = 131.5 cm from each other, and install a blind flat mirror with an angle α = 12 ^/ inclined relative to the said vertical plane, with the first auxiliary mirror being located at a distance L = 150 cm from a blank flat mirror and move it down in a vertical plane by 5 mm.

На фиг.1 представлена схема разработанного генератора фемтосекундных импульсов.Figure 1 presents a diagram of the developed femtosecond pulse generator.

На фиг.2 представлена экспериментально полученная функция автокорреляции интенсивности световых фемтосекундных импульсов, излучаемых разработанным генератором.Figure 2 presents the experimentally obtained autocorrelation function of the intensity of light femtosecond pulses emitted by the developed generator.

Генератор фемтосекундных импульсов, представленный на фиг.1, содержит резонатор, который состоит из первого вогнутого зеркала 1, втоpoгo вогнутого зеркала 2, первого вспомогательного глухого зеркала 3, второго вспомогательного глухого зеркала 4, полупрозрачного плоского зеркала 5 и глухого плоского зеркала 6. Резонатор снабжен компенсатором дисперсии в виде оптически связанной последовательности двух призм 7 и 8, установленных на расстоянии d друг от друга, которые размещены перед глухим плоским зеркалом 6. Глухое плоское зеркало 6 наклонено на малый угол α , выбираемый из интервала 1^/<α <60^/, относительно вертикальной плоскости, которая перпендикулярна двум плоскостям: плоскости чертежа и вертикальной плоскости, в которой лежит падающий луч. Нижняя граница (1^/ - одна угловая минута) интервала возможных углов наклона α зеркала 6 определяется дифракционной расходимостью лучей, распространяющихся в резонаторе, и должна быть, по крайней мере, в неcколько раз больше угла дифракционной расходимости, примерно равного 0,3^/. Верхняя граница интервала (60^/) определяется минимально допустимым искажением плоскости поляризации лучей, возникающим при таком отражении. Первое вспомогательное зеркало 3 расположено на расстоянии L>d от глухого плоского зеркала 6 и установлено со смещением вниз в вертикальной плоскости относительно уровня других зеркал на величину L tgα с возможностью обеспечения требуемой оптической связи. Так для излучения, распространяющегося против часовой стрелки (на чертеже обозначенном CCW), с возможностью обеспечения оптической связи по лучу, падающему на глухое зеркало 6, вогнутого зеркала 2 с призмой 7 компенсатора дисперсии, а по лучу, отраженному от зеркала 6, с возможностью обеспечения оптической связи призмы 7 с первым вспомогательным зеркалом 3. Для излучения, распространяющегося по часовой стрелке (на чертеже обозначенном CW), наоборот, с возможностью обеспечения по лучу, падающему на зеркало 6, оптической связи вспомогательного зеркала 3 с призмой 7, а по лучу, отраженному от зеркала 6, с возможностью обеспечения оптической связи призмы 7 со вторым вогнутым зеркалом 2. Смещение вспомогательного зеркала 3 в вертикальной плоскости вниз на величину L tgα соответствует повороту зеркала 6 на угол α против часовой стрелки относительно указанной вертикальной плоскости. Возможен поворот зеркала 6 на угол α по часовой стрелке, т.е. угол поворота будет - α . Такому углу поворота зеркала 6 будет соответствовать смещение вспомогательного зеркала 3 в вертикальной плоскости вверх на величину L tgα . Вогнутые зеркала 1 и 2 образуют фокусирующую систему, внутри которой установлена активная среда 9, оптически связанная с лазером накачки (на чертеже не показан).The femtosecond pulse generator shown in Fig. 1 contains a resonator, which consists of a first concave mirror 1, a second concave mirror 2, a first auxiliary deaf mirror 3, a second auxiliary deaf mirror 4, a translucent plane mirror 5 and a deaf plane mirror 6. The resonator is equipped with a dispersion compensator in the form of an optically coupled sequence of two prisms 7 and 8 mounted at a distance d from each other, which are placed in front of a deaf plane mirror 6. The deaf plane mirror 6 is inclined at and a small angle α, selected from the interval 1 ^/ <α <60 ^/ , relative to a vertical plane that is perpendicular to two planes: the plane of the drawing and the vertical plane in which the incident beam lies. The lower boundary (1 ^/ is one angular minute) of the interval of possible tilt angles α of mirror 6 is determined by the diffraction divergence of the rays propagating in the resonator and should be at least several times larger than the angle of diffraction divergence, approximately equal to 0.3 ^/ . The upper boundary of the interval (60 ^/ ) is determined by the minimum permissible distortion of the plane of polarization of the rays arising from such a reflection. The first auxiliary mirror 3 is located at a distance L> d from the blank flat mirror 6 and is installed with a shift down in the vertical plane relative to the level of other mirrors by the amount of L tgα with the possibility of providing the required optical connection. So for radiation propagating counterclockwise (indicated by CCW in the drawing), with the possibility of providing optical communication along the beam incident on the deaf mirror 6, the concave mirror 2 with the prism 7 of the dispersion compensator, and along the beam reflected from the mirror 6, with the possibility of providing optical coupling of the prism 7 with the first auxiliary mirror 3. For radiation propagating clockwise (indicated by CW in the drawing), on the contrary, with the possibility of providing along the beam incident on the mirror 6, optical communication of the auxiliary mirror stool 3 with a prism 7, and along the beam reflected from the mirror 6, with the possibility of providing optical communication of the prism 7 with the second concave mirror 2. The shift of the auxiliary mirror 3 in the vertical plane down by the amount of L tgα corresponds to the rotation of the mirror 6 by an angle α counterclockwise relative to the specified vertical plane. It is possible to rotate the mirror 6 by an angle α clockwise, i.e. the angle of rotation will be - α. This angle of rotation of the mirror 6 will correspond to the displacement of the auxiliary mirror 3 in the vertical plane upward by the value of L tgα. Concave mirrors 1 and 2 form a focusing system, inside of which an active medium 9 is installed, optically coupled to a pump laser (not shown in the drawing).

В качестве активной среды 9 в разработанном генераторе могут быть использованы обычные кристаллы Ti:Sa со стандартной концентрацией ионов титана (Тi³⁺) в пределах 0,05÷ 0,1% длиной порядка 10 мм, выпускаемые отечественной промышленностью. В качестве лазера накачки для активной среды 9 может быть использован, например, серийно выпускаемый отечественный аргоновый лазер ЛГН-512. В частном случае изготовления генератора в качестве вогнутых зеркал 1 и 2 использованы дихроичные сферические зеркала с фокусным расстоянием 5 см, установленные с возможностью прецизионного продольного перемещения. В качестве глухих зеркал 3, 4 и 6 использованы плоские зеркала с многослойным диэлектрическим покрытием, обеспечивающим высокий коэффициент отражения в диапазоне 700-900 нм. В качестве полупрозрачного выходного зеркала 5 использовано многослойное диэлектрическое зеркало на клинообразной подложке с коэффициентом отражения 95%. В качестве призм 7 и 8 компенсатора дисперсии известно использование призм из кварца, фторида кальция или фторида серы.As the active medium 9 in the developed generator, ordinary Ti: Sa crystals can be used with a standard concentration of titanium ions (Ti ³⁺ ) in the range of 0.05–0.1% with a length of about 10 mm produced by the domestic industry. As a pump laser for the active medium 9, for example, a commercially available domestic argon laser LGN-512 can be used. In the particular case of manufacturing the generator, concave mirrors 1 and 2 used dichroic spherical mirrors with a focal length of 5 cm, mounted with the possibility of precise longitudinal movement. As deaf mirrors 3, 4, and 6, plane mirrors with a multilayer dielectric coating are used, which provide a high reflection coefficient in the range of 700–900 nm. As a translucent output mirror 5, a multilayer dielectric mirror on a wedge-shaped substrate with a reflection coefficient of 95% was used. As prisms 7 and 8 of the dispersion compensator, it is known to use prisms from quartz, calcium fluoride or sulfur fluoride.

В конкретном примере реализации разработанного генератора призмы 7 и 8 изготовлены из фторида лития LiF, при этом, как установлено авторами, отрицательная дисперсия, вносимая в резонатор парой призм 7 и 8 из LiF, оптимальным образом согласуется с положительной дисперсией активной среды (Ti:Sa). Призмы 7 и 8 установлены на расстоянии 131,5 см друг от друга с возможностью прецизионного перемещения в продольном и поперечном относительно луча направлениях. Первое вспомогательное зеркало 3 расположено на расстоянии L=150 см от глухого плоского зеркала 6 и установлено со смещением вниз в вертикальной плоскости на 5 мм. Глухое плоское зеркало 6 наклонено на угол α =12^/ относительно вертикальной плоскости, перпендикулярной двум плоскостям: плоскости чертежа и вертикальной плоскости, в которой лежит подающий луч.In a specific example of the implementation of the developed generator, prisms 7 and 8 are made of lithium fluoride LiF, and, as established by the authors, the negative dispersion introduced into the resonator by a pair of prisms 7 and 8 of LiF is optimally consistent with the positive dispersion of the active medium (Ti: Sa) . Prisms 7 and 8 are mounted at a distance of 131.5 cm from each other with the possibility of precision movement in the longitudinal and transverse directions relative to the beam. The first auxiliary mirror 3 is located at a distance L = 150 cm from the blank flat mirror 6 and is installed with a 5 mm offset downward in the vertical plane. The deaf flat mirror 6 is inclined at an angle α = 12 ^/ with respect to a vertical plane perpendicular to two planes: the plane of the drawing and the vertical plane in which the feed beam lies.

Разработанный генератор фемтосекундных импульсов, представленный на фиг.1, работает следующим образом.The developed femtosecond pulse generator, shown in figure 1, operates as follows.

При накачке активной среды 9, расположенной в центре фокусирующей системы из вогнутых зеркал 1 и 2, в резонаторе возникает двунаправленная непрерывная генерация когерентного светового излучения. Обозначим луч, распространяющийся в направлении по часовой стрелке, CW, а луч, распространяющийся в направлении против часовой стрелки, - CCW. При этом луч CCW из левого плеча фокусирующей системы направляется вогнутым зеркалом 2 над вспомогательным зеркалом 3 на призмы 7 и 8 и падает на глухое плоское зеркало 6. Глухое вспомогательное зеркало 3 в данном случае не препятствует оптической связи зеркала 2 и призмы 7 за счет того, что смещено вниз в вертикальной плоскости на величину L tgα относительно уровня других зеркал резонатора. Глухое плоское зеркало 6 за счет своего наклона на упомянутый выше угол α относительно вертикальной плоскости, перпендикулярной плоскости падающего луча, направляет отраженный луч вниз под углом α к падающему лучу в той же вертикальной плоскости, в которой лежит падающий луч. Отраженный от зеркала 6 луч CCW проходит компенсатор дисперсии 7, 8 в обратном направлении и теперь попадает на первое глухое вспомогательное зеркало 3, поскольку за счет наклона зеркала 6 на угол α отраженный от него луч в плоскости зеркала 3 смещен вниз на величину L tgα относительно падающего луча. Вследствие чего луч CCW отражается первым вспомогательным зеркалом 3 в направлении второго вспомогательного зеркала 4, которое в свою очередь оптически связано с выходным полупрозрачным зеркалом 5. Выходное зеркало 5 часть излучения CCW выводит из резонатора, а большую часть направляет на вогнутое зеркало 1 (правое плечо фокусирующей системы). В результате чего видно, что для луча CCW линейный резонатор практически превращается в кольцевой, но, в отличие от кольцевого генератора аналога, с одной парой призм компенсатора дисперсии, которую излучение CCW проходит дважды.When pumping an active medium 9 located in the center of the focusing system from concave mirrors 1 and 2, bi-directional continuous generation of coherent light radiation arises in the cavity. Denote the beam propagating in the clockwise direction, CW, and the beam propagating in the counterclockwise direction, CCW. In this case, the CCW beam from the left shoulder of the focusing system is guided by a concave mirror 2 above the auxiliary mirror 3 to the prisms 7 and 8 and falls onto a deaf flat mirror 6. The deaf auxiliary mirror 3 in this case does not interfere with the optical coupling of the mirror 2 and prism 7 due to which is shifted down in the vertical plane by the value of L tgα relative to the level of other resonator mirrors. A deaf flat mirror 6, due to its inclination by the angle α mentioned above with respect to a vertical plane perpendicular to the plane of the incident beam, directs the reflected beam downward at an angle α to the incident beam in the same vertical plane in which the incident beam lies. The CCW beam reflected from the mirror 6 passes the dispersion compensator 7, 8 in the opposite direction and now hits the first blind auxiliary mirror 3, since due to the tilt of the mirror 6 at an angle α, the beam reflected from it in the plane of the mirror 3 is shifted downward by the value of L tgα relative to the incident ray. As a result, the CCW beam is reflected by the first auxiliary mirror 3 in the direction of the second auxiliary mirror 4, which in turn is optically coupled to the output translucent mirror 5. The output mirror 5 outputs part of the CCW radiation from the resonator, and most of it is directed to the concave mirror 1 (the right shoulder of the focusing systems). As a result, it can be seen that for a CCW beam, the linear resonator practically turns into a ring resonator, but, unlike the analog ring generator, with one pair of prisms of the dispersion compensator, which CCW radiation passes twice.

То же самое происходит с лучом CW, распространяющимся из правого плеча фокусирующей системы. Луч CW вогнутым зеркалом 1 направляется на выходное полупрозрачное зеркало 5, которое часть излучения CW выводит наружу из резонатора, а большую часть направляет на второе вспомогательное зеркало 4, которое оптически связано с первым вспомогательным зеркалом 3. Зеркало 3 направляет луч CW через компенсатор дисперсии (призмы 7 и 8) на глухое плоское зеркало 6. Положение в пространстве падающего на зеркало 6 луча CW совпадает с положением в пространстве, описанным выше, отраженного от зеркала 6 луча CCW. Таким образом, падающий на зеркало 6 луч CW имеет направление, близкое к нормали, с небольшим наклоном снизу вверх, а отраженный зеркалом 6 луч CW направлен вверх под углом α к падающему лучу в той же вертикальной плоскости, в которой лежит падающий луч. Отраженный зеркалом 6 луч CW, пройдя расстояние L до зеркала 3 через компенсатор дисперсии (призмы 7 и 8), смещается вверх в вертикальной плоскости (плоскости падающего и отраженного луча) на величину L tgα . В результате этого указанный луч проходит над зеркалом 3 и оптически связанными оказываются призма 7 компенсатора дисперсии и вогнутое зеркало 2 (левое плечо фокусирующей системы), то есть для луча CW, так же как и для луча CCW, резонатор замыкается.The same thing happens with a CW beam propagating from the right shoulder of the focusing system. The beam CW with a concave mirror 1 is directed to the output translucent mirror 5, which part of the radiation CW leads out from the resonator, and most of it is directed to the second auxiliary mirror 4, which is optically coupled to the first auxiliary mirror 3. Mirror 3 directs the CW beam through the dispersion compensator (prisms 7 and 8) to a blank flat mirror 6. The position in space of the CW ray incident on the mirror 6 coincides with the position in the space described above reflected from the mirror 6 of the CCW ray. Thus, the CW beam incident on the mirror 6 has a direction close to the normal with a slight slope from the bottom up, and the CW beam reflected by the mirror 6 is directed upward at an angle α to the incident beam in the same vertical plane in which the incident beam lies. Beam CW reflected by mirror 6, passing the distance L to mirror 3 through the dispersion compensator (prisms 7 and 8), is shifted upward in the vertical plane (plane of the incident and reflected beam) by the value L tgα. As a result of this, the specified beam passes over the mirror 3 and the dispersion compensator prism 7 and the concave mirror 2 (the left shoulder of the focusing system) are optically coupled, i.e., for the CW beam, as well as for the CCW beam, the resonator closes.

На фиг.2 представлена функция автокорреляции интенсивности выходных фемтосекундных импульсов, которая регистрировалась с помощью известной схемы автокоррелятора (см. Spielmami С., Xu L., Krausz F., Appl. Opt., 36, 2523, 1997), используемого для измерения длительности ультракоротких импульсов. Как видно по функции автокорреляции (см. фиг.2), длительность импульса по половине высоты составляет 10 фс.Figure 2 presents the function of autocorrelation of the intensity of the output femtosecond pulses, which was recorded using the well-known autocorrelator circuit (see Spielmami C., Xu L., Krausz F., Appl. Opt., 36, 2523, 1997), used to measure the duration ultrashort pulses. As can be seen from the autocorrelation function (see figure 2), the pulse duration at half height is 10 fs.

Разработанный генератор фемтосекундных импульсов, так же как и генератор прототип, содержит компенсатор дисперсии в виде одной пары призм, что обеспечивает более простую настройку режима генерации фемтосекундных импульсов по сравнению с аналогами. Перемещением призм 7 и 8 в поперечном относительно луча направлении обеспечивается управление шириной и формой выходного спектра. Изменением настройки резонатора в данной схеме легко получить однонаправленный фемтосекундный режим генерации как для луча CW, так и для луча CCW. Этот фемтосекундный режим генерации является более устойчивым, чем в генераторе прототипе из-за отсутствия паразитных сигналов и из-за большей устойчивости генерации в данной конструкции к переотражениям излучения назад в резонатор. Кроме того, в данной конструкции за полный обход излучения по резонатору луч дважды проходит через компенсатор дисперсии и, в отличие от генератора прототипа, только один раз через активную среду, которая вносит нежелательную положительную дисперсию групповой скорости. Вследствие этого компенсация положительной дисперсии в разработанной конструкции осуществляется более эффективно, чем в прототипе, что позволяет получать в разработанном генераторе фемтосекундные импульсы длительностью 10 фс и менее, т.е. позволяет решить поставленную задачу.The developed femtosecond pulse generator, as well as the prototype generator, contains a dispersion compensator in the form of one pair of prisms, which provides a simpler adjustment of the mode of generation of femtosecond pulses in comparison with analogues. By moving the prisms 7 and 8 in the direction transverse to the beam, the width and shape of the output spectrum are controlled. By changing the resonator setting in this circuit, it is easy to obtain a unidirectional femtosecond lasing regime for both the CW beam and the CCW beam. This femtosecond generation mode is more stable than in the prototype generator due to the absence of spurious signals and due to the greater stability of the generation in this design to radiation reflections back to the resonator. In addition, in this design, for a complete round trip of radiation through the resonator, the beam passes twice through the dispersion compensator and, unlike the prototype generator, only once through the active medium, which introduces an undesirable positive group velocity dispersion. As a result, the compensation of the positive dispersion in the developed design is more efficient than in the prototype, which allows you to receive femtosecond pulses with a duration of 10 fs and less in the developed generator, i.e. allows you to solve the problem.

Claims

1. A femtosecond pulse generator comprising a cavity with an active medium and a pump laser, the cavity including a blind plane mirror, a translucent plane mirror, a focusing system of the first and second concave mirrors, in which the said active medium is installed, which is optically coupled to a pump laser , the resonator is also equipped with a dispersion compensator in the form of an optically coupled sequence of two prisms mounted at a distance d from each other, which are located between the second concave mirror scarlet and a deaf flat mirror, and the first concave mirror is optically connected to a translucent flat mirror, characterized in that the first and second auxiliary mirrors are optically coupled to each other and by means of a second auxiliary mirror with the said translucent flat mirror, and the deaf is mentioned the planar mirror is inclined by a small angle α, chosen from the interval 1 '<α <60' relative to the vertical plane perpendicular to the plane of incidence of the beam, with the first auxiliary the mirror is located at a distance L> d from the blank flat mirror and is installed with a displacement in the vertical plane relative to the level of other mirrors by the amount L · tgα.

2. The generator according to claim 1, characterized in that said blind flat mirror is inclined at a small angle α, selected from the interval 1 '<α <60', counterclockwise relative to a vertical plane perpendicular to the plane of incidence of the beam, while the first auxiliary mirror located at a distance L> d from a blank flat mirror is installed with a downward shift by the value of L · tgα in the vertical plane relative to the level of other mirrors.

3. The generator according to claim 1, characterized in that both prisms of the dispersion compensator are made of LiF material (lithium fluoride), and a Ti: Sa crystal is used as the active medium.

4. The generator according to claim 1, or 2, or 3, characterized in that the prisms of the dispersion compensator are installed at a distance d = 131.5 cm, and a blind flat mirror is installed with an angle α = 12 ^' inclined relative to the said vertical plane, with In this case, the first auxiliary mirror is located at a distance L = 150 cm from the blank flat mirror and is shifted downward in the vertical plane by 5 mm.