RU2393601C1 - Способ преобразования ультракоротких лазерных импульсов во вторую гармонику - Google Patents
Способ преобразования ультракоротких лазерных импульсов во вторую гармонику Download PDFInfo
- Publication number
- RU2393601C1 RU2393601C1 RU2008139197/28A RU2008139197A RU2393601C1 RU 2393601 C1 RU2393601 C1 RU 2393601C1 RU 2008139197/28 A RU2008139197/28 A RU 2008139197/28A RU 2008139197 A RU2008139197 A RU 2008139197A RU 2393601 C1 RU2393601 C1 RU 2393601C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- pulse
- harmonic
- duration
- spectrum
- chirped
- Prior art date
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 11
- 239000013078 crystal Substances 0.000 claims abstract description 15
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 abstract description 13
- 238000007906 compression Methods 0.000 abstract description 5
- 230000006835 compression Effects 0.000 abstract description 3
- 230000007423 decrease Effects 0.000 abstract description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 25
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 5
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 description 4
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 3
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 description 3
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 2
- 230000014509 gene expression Effects 0.000 description 2
- 229910052779 Neodymium Inorganic materials 0.000 description 1
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000003321 amplification Effects 0.000 description 1
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 1
- 229910000402 monopotassium phosphate Inorganic materials 0.000 description 1
- 235000019796 monopotassium phosphate Nutrition 0.000 description 1
- QEFYFXOXNSNQGX-UHFFFAOYSA-N neodymium atom Chemical compound [Nd] QEFYFXOXNSNQGX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000003199 nucleic acid amplification method Methods 0.000 description 1
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 1
- PJNZPQUBCPKICU-UHFFFAOYSA-N phosphoric acid;potassium Chemical compound [K].OP(O)(O)=O PJNZPQUBCPKICU-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000005086 pumping Methods 0.000 description 1
- 229910052594 sapphire Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010980 sapphire Substances 0.000 description 1
- 238000004904 shortening Methods 0.000 description 1
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 1
Images
Landscapes
- Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)
- Lasers (AREA)
Abstract
Способ преобразования ультракоротких лазерных импульсов во вторую гармонику включает пропускание лазерного импульса через нелинейный кристалл преобразователя. Перед подачей на кристалл лазерный импульс чирпируют по частоте, а полученный импульс второй гармоники компрессируют во времени. При этом длительность импульсов второй гармоники после компрессора определяется из соотношения 
где τ - длительность импульса на основной частоте, a τch - длительность чирпированного импульса. Технический результат заключается в сокращении в два раза длительности импульса второй гармоники по отношению к исходному фемтосекундному лазерному импульсу с длительностью короче 100 фс с высокой эффективностью преобразования. 3 ил.
Description
Изобретение относится к нелинейным преобразователям частоты лазерного излучения и касается вопросов преобразования ультракоротких лазерных импульсов во вторую гармонику.
Известен способ преобразования лазерных импульсов с длительностью короче 100 фс во вторую гармонику при прохождении излучения через нецентросимметричный кристалл. К недостаткам этого способа преобразования излучения во вторую гармонику относится снижение эффективности преобразования и увеличение длительности импульса второй гармоники (по отношению к исходному лазерному импульсу) при сокращении длительности лазерного импульса [К.Mori, Y.Tamaki, M.Obara, К.Midorikawa "Second-harmonic generation of femtosecond high-intensity Ti:sapphire laser pulses". Journal of Applied Physics, v. 83, pp.2915-2919 (1998)). Основная причина этого заключается в различии групповых скоростей импульсов на основной частоте и второй гармоники и, как следствие, сокращении эффективной длины взаимодействия.
Наиболее близким к заявляемому является способ временной компрессии импульса второй гармоники (сокращение длительности импульса второй гармоники по отношению к импульсу накачки в режиме истощения накачки) при ее генерации в кристаллах по второму типу синхронизма ое-е. Компрессия в такой схеме реализуется за счет различия групповых скоростей импульсов накачки и второй гармоники. При этом групповая скорость необыкновенного импульса второй гармоники должна быть равна среднему арифметическому групповых скоростей обыкновенного и необыкновенного импульсов накачки [Y.Wang, В.Luther-Davies, "Frequency-doubling pulse compressor for picosecond high-power neodymium laser pulses". Opt. Lett., v. 17, pp.1459-1461 (1992)]. Такая схема хорошо работает для импульсов пикосекундной длительности. Для импульсов длительностью короче 100 фс эффективность процесса компрессии снижается в результате воздействия таких эффектов, как дисперсия групповых скоростей, фазовая самомодуляция и чирп импульса. Лишь численными расчетами показано, что при оптимальных параметрах (задержка между импульсами, длина кристалла, угол синхронизма, интенсивность излучения) возможно сжатие импульса с длительностью 50 фс на основной частоте в импульс второй гармоники с длительностью 27 фс [Т.Harimoto, M.Aoyama, К.Yamakawa. "Numerical simulation of self-compression second-harmonic generation in type II potassium dihydrogen phosphate with a time predelay for Yb-doped solid-state lasers", Optics Express, v. 15, pp.17530-17535 (2007)]. Однако эти теоретические расчеты пока не подтверждены экспериментально.
Задача, решаемая изобретением, - сокращение в два раза длительности импульса второй гармоники по отношению к исходному фемтосекундному лазерному импульсу с длительностью короче 100 фс с высокой эффективностью преобразования (в режиме истощения накачки).
Для решения поставленной задачи предложен способ, заключающийся в следующем. Изначально спектрально-ограниченный импульс на основной частоте с длительностью τ пропускается через дисперсионный элемент. Таким способом генерируется импульс с частотным чирпом и длительностью τch, превышающей длительность исходного импульса. Рассмотрим для наглядности (без потери общности) импульс гауссовой формы с линейным чирпом. При таком приближении импульс на основной частоте ω можно представить в виде:
где: Еω - амплитуда световой волны, А0 - пиковая амплитуда, ω0 - центральная частота и а - частотный чирп.
Тогда после преобразования во вторую гармонику с высокой эффективностью в режиме истощения накачки, когда амплитуда и длительность импульса второй гармоники близка к амплитуде и длительности импульса на основной частоте, импульс второй гармоники описывается выражением:
(Здесь мы не рассматриваем процесс преобразования с низкой энергетической эффективностью, при котором длительность импульса второй гармоники меньше длительности импульса накачки в 
раз.) Отсюда видно, что величина чирпа второй гармоники превосходит чирп на основной частоте в два раза. Это означает уширение спектра импульса второй гармоники по сравнению с накачкой. Используя аналитические выражения для ширины спектра чирпированного гауссова импульса [Jean-Claude Diels, Wolfgang Rudolph. "Ultrashort laser pulse phenomena", Academic Press (2006)], легко показать, что отношение ширины спектра импульса второй гармоники Δν2ω к ширине спектра импульса на основной частоте Δνω составляет
В случае, когда длительность чирпированного импульса много больше длительности соответствующего спектрально-ограниченного импульса или, другими словами, когда ширина спектра импульса определяется в основном фазовой модуляцией, спектр чирпированного импульса второй гармоники будет в два раза шире спектра импульса на основной частоте. В результате после компрессора, компенсирующего частотный чирп, импульс становится спектрально-ограниченным с длительностью, обратно-пропорциональной ширине его спектра [Jean-Claude Diels, Wolfgang Rudolph. "Ultrashort laser pulse phenomena", Academic Press (2006)]. Следовательно, длительность спектрально-ограниченного импульса второй гармоники будет связана с длительностью исходного импульса на основной частоте соотношением:
В предельном случае, когда длительность чирпированного импульса много больше длительности исходного импульса τch>>τ, длительность компрессированного импульса второй гармоники в два раза короче длительности импульса на основной частоте
Схема преобразования импульса во вторую гармонику, реализующая данный способ, показана на Фиг.1.
Она включает:
1. Фемтосекундный лазер
2. Дисперсионный элемент - стретчер
3. Нелинейный кристалл преобразователя
4. Компрессор
Было проведено исследование данного способа преобразования лазерного импульса во вторую гармонику. Эксперименты проводились с использованием фемтосекундной лазерной системы на титанате сапфира. Длительность спектрально-ограниченного лазерного импульса на выходе лазерной системы, построенной по схеме усиления чирпированного импульса, составляла 49 фс (Фиг.2а) при ширине спектра 332 см-1 (Фиг.2б). (Здесь и далее величина длительности импульса и ширина спектра измерены по уровню половины интенсивности). Энергия импульса достигала 100 мкДж.
Исследовалось преобразование во вторую гармонику чирпированного импульса длительностью 600 фс. В данном случае вместо пропускания спектрально-ограниченного импульса через дисперсионный элемент чирп вводился посредством изменения расстояния между решетками компрессора на выходе лазерной системы. Интенсивность накачки на входе кристаллов достигала 50 ГВт/см2. Преобразование во вторую гармонику происходило в режиме насыщения.
Эксперименты, выполненные с использованием в качестве преобразователя одного кристалла ВВО толщиной 200 мкм, показали, что спектральная ширина синхронизма такого кристалла недостаточна для эффективного преобразования всего спектра чирпированного импульса. Для преобразования всего спектра импульса накачки и, соответственно, достижения максимальной ширины спектра излучения второй гармоники была использована многокристальная схема [М.Brown. "Increased spectral bandwidths in nonlinear conversion processes by use of multicrystal designs". Opt. Lett., v. 23, pp.1591-1593 (1998)]. В область фокусировки накачки было последовательно установлено два одинаковых кристалла ВВО с толщиной по 200 мкм. Кристаллы были ориентированы таким образом, чтобы один из них обеспечивал преобразования высокочастотной, а другой - низкочастотной части спектра чирпированного импульса накачки.
На Фиг.3а показан спектр второй гармоники с максимальной шириной, полученной в эксперименте. В данном случае ширина спектра более чем в два раза превышает спектр импульса на основной частоте и составляет величину 920 см-1. Максимальная ширина спектра получена за счет того, что кристаллы были настроены так, чтобы наибольшая эффективность преобразования достигалась на краях спектра импульса накачки. Вследствие этого наблюдается провал в центре спектра второй гармоники. При сужении спектра второй гармоники, что достигалось путем уменьшения угла между оптическими осями кристаллов, форма спектра становилась более близкой к колоколообразной и глубина провала в центре уменьшалась. При максимальной ширине спектра второй гармоники энергетическая эффективность преобразования достигала 40%.
Компрессор чирпированного импульса второй гармоники был изготовлен с помощью двух дифракционных решеток, каждая по 400 штр/мм.
Измеренная с помощью SPIDERa форма компрессированного импульса второй гармоники с максимально широким спектром (Фиг.3а) представлена на Фиг.3б (сплошная линия). Его длительность составила 26 фс. На фиг.3б также показана рассчитанная форма импульса (пунктирная линия) с наименьшей возможной длительностью, соответствующая измеренному спектру второй гармоники (Фиг.3а). Длительность рассчитанного импульса составила 25 фс. Данный импульс получен в предположении равенства фаз всех компонент спектра второй гармоники. Видно, что длительности измеренного и рассчитанного импульсов отличаются на 1 фс. Близки также и формы импульсов. На основании этого можно сделать вывод об отсутствии фазовой модуляции импульса второй гармоники и достижении максимальной степени компрессии.
Claims (1)
- Способ преобразования ультракоротких лазерных импульсов во вторую гармонику путем пропускания лазерного импульса через нелинейный кристалл преобразователя, отличающийся тем, что перед подачей на кристалл лазерный импульс чирпируют по частоте, а полученный импульс второй гармоники компрессируют во времени, при этом длительность импульсов второй гармоники после компрессора определяется из соотношения
,
где τ - длительность импульса на основной частоте, a τch - длительность чирпированного импульса.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2008139197/28A RU2393601C1 (ru) | 2008-10-02 | 2008-10-02 | Способ преобразования ультракоротких лазерных импульсов во вторую гармонику |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2008139197/28A RU2393601C1 (ru) | 2008-10-02 | 2008-10-02 | Способ преобразования ультракоротких лазерных импульсов во вторую гармонику |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2008139197A RU2008139197A (ru) | 2010-04-10 |
| RU2393601C1 true RU2393601C1 (ru) | 2010-06-27 |
Family
ID=42670905
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2008139197/28A RU2393601C1 (ru) | 2008-10-02 | 2008-10-02 | Способ преобразования ультракоротких лазерных импульсов во вторую гармонику |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2393601C1 (ru) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2537511C2 (ru) * | 2013-03-27 | 2015-01-10 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики" (Университет ИТМО) | Способ определения коэффициента квадратичной фазовой модуляции сверхкороткого оптического импульса |
| EP3182531A1 (en) | 2015-12-14 | 2017-06-21 | Uab "Ekspla" | Method for generation of ultrashort light pulses |
| RU2819751C1 (ru) * | 2024-02-08 | 2024-05-23 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом") | Способ измерения углов настройки кристалла преобразователя частоты лазерного излучения во вторую гармонику для обеспечения фазового синхронизма |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6198568B1 (en) * | 1997-04-25 | 2001-03-06 | Imra America, Inc. | Use of Chirped Quasi-phase-matched materials in chirped pulse amplification systems |
| RU2182393C2 (ru) * | 1999-05-26 | 2002-05-10 | Секретари Оф Эдженси Оф Индастрил Сайнс Энд Технолоджи | Полупроводниковый волновод со сжатием оптических импульсов |
| US6650466B1 (en) * | 1999-08-27 | 2003-11-18 | Frank Wise | High-energy pulse compression using phase shifts produced by the cascade quadriatic nonlinearity |
| WO2007142843A2 (en) * | 2006-05-24 | 2007-12-13 | Cornell Research Foundation, Inc. | Chirped-pulse quadratic nonlinearity-based high-energy pulse compressor |
-
2008
- 2008-10-02 RU RU2008139197/28A patent/RU2393601C1/ru not_active IP Right Cessation
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6198568B1 (en) * | 1997-04-25 | 2001-03-06 | Imra America, Inc. | Use of Chirped Quasi-phase-matched materials in chirped pulse amplification systems |
| RU2182393C2 (ru) * | 1999-05-26 | 2002-05-10 | Секретари Оф Эдженси Оф Индастрил Сайнс Энд Технолоджи | Полупроводниковый волновод со сжатием оптических импульсов |
| US6650466B1 (en) * | 1999-08-27 | 2003-11-18 | Frank Wise | High-energy pulse compression using phase shifts produced by the cascade quadriatic nonlinearity |
| WO2007142843A2 (en) * | 2006-05-24 | 2007-12-13 | Cornell Research Foundation, Inc. | Chirped-pulse quadratic nonlinearity-based high-energy pulse compressor |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2537511C2 (ru) * | 2013-03-27 | 2015-01-10 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики" (Университет ИТМО) | Способ определения коэффициента квадратичной фазовой модуляции сверхкороткого оптического импульса |
| EP3182531A1 (en) | 2015-12-14 | 2017-06-21 | Uab "Ekspla" | Method for generation of ultrashort light pulses |
| LT6425B (lt) | 2015-12-14 | 2017-07-10 | Uab "Ekspla" | Ultratrumpųjų šviesos impulsų generavimo būdas ir lazerinis šaltinis |
| RU2819751C1 (ru) * | 2024-02-08 | 2024-05-23 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом") | Способ измерения углов настройки кристалла преобразователя частоты лазерного излучения во вторую гармонику для обеспечения фазового синхронизма |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2008139197A (ru) | 2010-04-10 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN103605249B (zh) | 一种双泵浦啁啾补偿光参量放大方法及装置 | |
| RU2393601C1 (ru) | Способ преобразования ультракоротких лазерных импульсов во вторую гармонику | |
| Guo et al. | Chirped pulse Raman amplification in Ba (NO3) 2 crystals | |
| CN100568075C (zh) | 混合注入式飞秒激光光学参量放大器装置 | |
| CN105305214A (zh) | 一种获得高重频、大能量紫外可调谐激光脉冲的方法 | |
| Didenko et al. | Femtosecond pulse compression based on second harmonic generation from a frequency chirped pulse | |
| Gao et al. | Optical parametric oscillator based on silicon nitride waveguides | |
| Nishimiya et al. | Efficient and scalable scheme for overcoming the pulse energy bottleneck of sub-cycle laser sources | |
| Marangoni et al. | Tunable narrow-bandwidth picosecond pulses by spectral compression of femtosecond pulses in second-order nonlinear crystals | |
| Frank et al. | Modeling of a cross-cascade picosecond synchronously pumped Raman laser | |
| Chia et al. | Enhancing scalability and efficiency of self-phase modulation-enabled spectral selection | |
| Nishimiya et al. | TW-class MIR sub-cycle dual-chirped optical parametric amplification | |
| Wang et al. | Direct ultrafast parametric amplification pumped by a picosecond thin-disk laser | |
| Hädrich et al. | Peak power scaling towards ultrashort pulses at high repetition rates | |
| Fu et al. | Generation of high-energy mid-infrared pulses at 3.3 μm by dual-chirped optical parametric amplification | |
| Frank et al. | Effect of Raman gain reduction in picosecond crystalline Raman laser under synchronous pumping | |
| Mackonis et al. | Signal-to-idler Energy Conversion from 1.9 to 2.3 µm by Transient Stimulated Raman Chirped-Pulse Amplification | |
| EP3913751A1 (en) | Laser for nonlinear microscopy comprising a raman wavelength converter | |
| Kessel et al. | Generation and optical parametric amplification of near-IR, few-cycle light pulses | |
| Taira et al. | Large aperture quasi-phase matched nonlinear material for functional power lasers | |
| Tóth et al. | Design study of two-cycle bandwidth, single-color pumped OPCPA chain | |
| Mücke et al. | Multimillijoule Optically Synchronized and Carrier-Envelope-Phase-Stable Chirped Parametric Amplification at 1.5 µm | |
| Didenko et al. | Second harmonic generation of spectrally broadened femtosecond ytterbium laser radiation in a gas-filled capillary | |
| Taira et al. | High average power ultrafast lasers: large aperture quasi-phase matched nonlinear devices | |
| Ghotbi et al. | Generation of Tunable, Ultrashort Pulses in the near-IR with an OPA System Based on BIBO |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20171003 |