RU2650854C1 - Device for measuring transient characteristics of optical amplifiers - Google Patents
Device for measuring transient characteristics of optical amplifiers Download PDFInfo
- Publication number
- RU2650854C1 RU2650854C1 RU2016149753A RU2016149753A RU2650854C1 RU 2650854 C1 RU2650854 C1 RU 2650854C1 RU 2016149753 A RU2016149753 A RU 2016149753A RU 2016149753 A RU2016149753 A RU 2016149753A RU 2650854 C1 RU2650854 C1 RU 2650854C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- optical
- acousto
- optic
- laser
- crystal
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
- G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
Abstract
Description
Область техникиTechnical field
Изобретение относится к области физики фемтосекундных лазеров, акустооптики, оптоэлектроники.The invention relates to the field of physics of femtosecond lasers, acoustooptics, optoelectronics.
Уровень техникиState of the art
Из уровня техники известно, что метод частотно-контрастных характеристик широко применяется при измерении пространственной разрешающей способности оптических систем. Метод заключается в подаче на систему оптического тестового сигнала, сформированного тестовым устройством, и содержащего упорядоченное множество пространственных частот.В простейшем известном случае для анализа пространственного разрешения оптических систем тестовое устройство технически выполняется в виде оптической миры с заданным одномерным или двумерным пропусканием (Дж. Гудмен. Введение в Фурье-оптику / М.: Мир, 1973).It is known from the prior art that the method of frequency contrast characteristics is widely used in measuring the spatial resolution of optical systems. The method consists in applying an optical test signal generated by a test device and containing an ordered set of spatial frequencies to the system. In the simplest known case, to analyze the spatial resolution of optical systems, the test device is technically performed in the form of an optical world with a given one-dimensional or two-dimensional transmission (J. Goodman. Introduction to Fourier Optics / M .: Mir, 1973).
Метод частотно-контрастных характеристик показывает отклик произвольной системы (оптической, электрической, механической) на тестовый сигнал, формирующий переходные характеристики в значимой для системы области параметров. Он является весьма общим и может быть применен и в других областях науки и техники, не имеющих отношения к его традиционному использованию для анализа пространственного разрешения оптических систем. При этом частотно-контрастная характеристика формируется на основе массива экспериментальных данных отклика произвольной линейной системы на тестовый сигнал, описываемый функцией вида Σrect(anx-bn), где х - характеризующий систему параметр. Из уровня техники известно, что наиболее существенной проблемой метода частотно-контрастных характеристик является разработка и создание тестового устройства, формирующего тестовый объект для измерения переходных характеристик линейной системы (оптической, электрической, механической) и устройства регистрации переходных характеристик системы. При этом и тестовое устройство и устройство регистрации переходных характеристик могут являться достаточно сложными оптоэлектронными устройствами. В случае измерения частотно-контрастных характеристик во временной области тестовым объектом является оптический импульс, имеющий форму меандра.The method of frequency-contrast characteristics shows the response of an arbitrary system (optical, electrical, mechanical) to a test signal that forms transient characteristics in the parameter domain that is significant for the system. It is very general and can be applied in other areas of science and technology that are not related to its traditional use for the analysis of spatial resolution of optical systems. In this case, the frequency-contrast characteristic is formed on the basis of an array of experimental data on the response of an arbitrary linear system to a test signal described by a function of the form Σrect (a n xb n ), where x is the parameter characterizing the system. It is known from the prior art that the most significant problem of the method of frequency contrast characteristics is the development and creation of a test device that forms a test object for measuring the transient characteristics of a linear system (optical, electrical, mechanical) and a device for recording the transient characteristics of the system. At the same time, both the test device and the transient response recorder can be quite complex optoelectronic devices. In the case of measuring the frequency-contrast characteristics in the time domain, the test object is an optical pulse having the shape of a meander.
Из уровня техники известно, что в последние годы в физике ультракоротких сверхмощных лазерных импульсов особое значение приобретает исследование переходных характеристик мощных оптических усилителей во временной области или временного разрешения усилителей. В мощных лазерных системах для инерциального термоядерного синтеза наиболее важным принципом осуществления термоядерной реакции является пространственно-временное согласование процессов сжатия и нагрева плазмы в процессе имплозии мишени, обеспечивающих безударное сжатие мишени за счет использования профилированного во времени лазерного импульса по специальному закону (С.Ю. Гуськов. Быстрое зажигание мишеней инерциального синтеза // Физика плазмы.- Т. 39, №1. - С. 3. - 2013).It is known from the prior art that in recent years, in the physics of ultrashort ultra-high-power laser pulses, the study of the transient characteristics of high-power optical amplifiers in the time domain or the time resolution of amplifiers has gained particular importance. In high-power laser systems for inertial thermonuclear fusion, the most important principle for the implementation of a thermonuclear reaction is the spatiotemporal coordination of the processes of plasma compression and heating during implosion of the target, providing shockless compression of the target through the use of a time-profiled laser pulse according to a special law (S. Yu. Guskov Rapid ignition of inertial synthesis targets // Plasma Physics. - Vol. 39, No. 1. - P. 3. - 2013).
Из уровня техники известно, что в установках инерциального термоядерного синтеза NIF (США) и LMJ (Франция) для создания программируемого во времени воздействия лазерных импульсов многоканальной системы на термоядерную мишень в стартовой части применяются электрооптические модуляционные устройства (аналоги) с характерным значением переходной характеристики 50 пс. Затем оптический импульс со сформированным профилем направляется в каскады усиления (J.K. Crane, R.B. Wilcox, N.W. Hopps, et al. Integrated operations of the National Ignition Facility (NIF) optical pulse generation development system // Third International Conference on Solid State Lasers for Application to Inertial Confinement Fusion - W.H. Lowdermilk, ed. / Proc. SPIE - V. 3492 - P. 100 - 1999; A. Jolly, J.F. Gleyze, J. Luce, et al. Front-end sources of the LIL-LMJ fusion lasers: progress report and prospects // Optical Engineering - V. 42, №5. - P. 1427-2003).It is known from the prior art that in the inertial thermonuclear fusion plants NIF (USA) and LMJ (France), electro-optical modulation devices (analogs) with a characteristic value of the transition characteristic of 50 ps are used to create a time-programmed time-dependent effect of laser pulses of a multichannel system on a thermonuclear target . The profile-shaped optical pulse is then sent to amplification stages (JK Crane, RB Wilcox, NW Hopps, et al. Integrated operations of the National Ignition Facility (NIF) optical pulse generation development system // Third International Conference on Solid State Lasers for Application to Inertial Confinement Fusion - WH Lowdermilk, ed. / Proc. SPIE - V. 3492 - P. 100 - 1999; A. Jolly, JF Gleyze, J. Luce, et al. Front-end sources of the LIL-LMJ fusion lasers: progress report and prospects // Optical Engineering - V. 42, No. 5. - P. 1427-2003).
Активные среды мощных оптических усилителей вызывают спектральные и фазовые искажения ультракоротких усиливаемых импульсов и, соответственно, искажения переходных временных процессов в рабочем режиме, в том числе, искажение временных профилей импульсов, оптимальных для безударного сжатия мишеней. Это обстоятельство является крайне значимым также и для временной синхронизации всех лазерных каналов при многоканальном воздействии на мишень излучения импульсных источников энергии (для справки NIF имеет 192 лазерных канала). Для обеспечения требуемого профилирования лазерных импульсов и их синхронного воздействия на мишень переходные характеристики оптических усилителей подлежат измерению в рабочем режиме.Active media of high-power optical amplifiers cause spectral and phase distortions of ultrashort amplified pulses and, accordingly, distortions of transient time processes in the operating mode, including distortion of the temporal profiles of pulses optimal for shockless compression of targets. This circumstance is also extremely important for the time synchronization of all laser channels during multichannel exposure of the target to pulsed energy sources (for reference, NIF has 192 laser channels). To ensure the required profiling of laser pulses and their synchronous action on the target, the transient characteristics of optical amplifiers are to be measured in the operating mode.
Недостатком электрооптических модуляционных устройств (аналогов) является относительно медленная для физики сверхбыстрых оптических процессов переходная характеристика, которая не превышает характерного значения 50 пс, что ограничивает применение электрооптических устройств в качестве тестовых устройств с высоким временным разрешением для прецизионного измерения переходных характеристик мощных оптических усилителей.The disadvantage of electro-optical modulation devices (analogs) is the relatively slow transition characteristic for the physics of ultrafast optical processes, which does not exceed the characteristic value of 50 ps, which limits the use of electro-optical devices as test devices with high temporal resolution for precision measurement of the transient characteristics of high-power optical amplifiers.
Из уровня техники известны акустооптические устройства (дисперсионные линии задержки). Данные устройства основаны на явлении анизотропной дифракции оптического излучения на акустических волнах в кристаллах и предназначены для коррекции формы фемтосекундных импульсов посредством компенсации дисперсий высших порядков, возникающих в лазерном оптическом тракте. Известно акустооптическое устройство (аналог) (Молчанов В.Я., Чижиков СИ., Макаров О.Ю. / Акустооптическая дисперсионная линия задержки: пат. РФ на изобретение от 21.03.2011. - RU 2453878 С1; Молчанов В.Я., Чижиков С.И., Макаров О.Ю. / Акустооптическая дисперсионная линия задержки: пат. РФ на полезную модель от 24.03.2011.- RU 106004 U1), осуществляющее управление комплексными спектрами ультракоротких лазерных импульсов посредством произвольной амплитудной и фазовой модуляции их оптических спектров при акустооптическом взаимодействии. Данные устройства основаны на явлении анизотропной дифракции оптического излучения на акустических волнах в кристаллах.Acousto-optical devices (dispersion delay lines) are known in the art. These devices are based on the phenomenon of anisotropic diffraction of optical radiation by acoustic waves in crystals and are intended to correct the shape of femtosecond pulses by compensating for higher-order dispersions arising in the laser optical path. A known acousto-optical device (analog) (Molchanov V.Ya., Chizhikov SI., Makarov O.Yu. / Acoustooptic dispersion delay line: Pat. Of the Russian Federation for invention of 03/21/2011. - RU 2453878 C1; Molchanov V.Ya., Chizhikov S.I., Makarov O.Yu. / Acousto-optic dispersion delay line: Patent of the Russian Federation for utility model dated 03.24.2011.- RU 106004 U1), which controls the complex spectra of ultrashort laser pulses by arbitrary amplitude and phase modulation of their optical spectra at acousto-optical interaction. These devices are based on the phenomenon of anisotropic diffraction of optical radiation by acoustic waves in crystals.
Наиболее близким к заявленному техническому решению по технической сущности (прототипом) является устройство, осуществляющее измерение переходных характеристик акустооптических дисперсионных линий задержки в спектральной области (K.В. Yushkov, V.Ya. Molchanov. MTF formalism for measurement of spectral resolution of acousto-optical devices with synthesized transmission function // Optics Letters. - V. 38, №18. - P. 3578. - 2013). Устройство состоит из фемтосекундного лазерного осциллятора, излучение которого направляется на акустооптическую дисперсионную линию. Усилитель подает на пьезопреобразователь дисперсионной линии управляющий высокочастотный (ВЧ) сигнал от генератора функций произвольной формы, который формирует в кристалле адаптивную линейно частотно-модулированную (ЛЧМ) ультразвуковую решетку с амплитудной и фазовой модуляцией таким образом, чтобы теоретический спектр дифрагировавшего излучения представлял собой эквидистантный набор бинарных функций. Спектр дифрагировавшего излучения регистрируется спектрометром. Частотно-контрастная характеристика акустооптической дисперсионной линии задержки строится в спектральной области на основании нормированных спектров пропускания.Closest to the claimed technical solution by technical nature (prototype) is a device that measures the transient characteristics of acousto-optic dispersion delay lines in the spectral region (K.V. Yushkov, V.Ya. Molchanov. MTF formalism for measurement of spectral resolution of acousto-optical devices with synthesized transmission function // Optics Letters. - V. 38, No. 18. - P. 3578. - 2013). The device consists of a femtosecond laser oscillator, the radiation of which is directed to an acousto-optic dispersion line. The amplifier delivers a control high-frequency (HF) signal from an arbitrary-function generator to a dispersion line piezoelectric transducer, which forms an adaptive linear frequency-modulated (LFM) ultrasonic array with amplitude and phase modulation in the crystal so that the theoretical spectrum of diffracted radiation is an equidistant set of binary functions. The spectrum of diffracted radiation is recorded by a spectrometer. The frequency-contrast characteristic of an acousto-optic dispersion delay line is constructed in the spectral region based on normalized transmission spectra.
Недостатком устройства-прототипа является то, что оно формирует переходную Задачей изобретения является создание на основе специализированной линии задержки устройства для измерения переходных характеристик лазерных оптических усилителей во временной области.The disadvantage of the prototype device is that it forms a transition. The objective of the invention is to create, on the basis of a specialized delay line, a device for measuring the transient characteristics of laser optical amplifiers in the time domain.
Техническим результатом, обеспечиваемым разработанным устройством на основе специализированной конструкции акустооптической дисперсионной линии задержки, управляемой ВЧ-сигналом, является обеспечение возможности измерения переходных временных характеристик лазерных оптических усилителей с возможностью адаптивного варьирования параметров оптического тестового сигнала, вырабатываемого устройством, посредством изменения параметров управляющего ВЧ-сигнала.The technical result provided by the developed device based on the specialized design of the acousto-optic dispersion delay line controlled by the RF signal is the ability to measure the transient temporal characteristics of laser optical amplifiers with the ability to adaptively vary the parameters of the optical test signal generated by the device by changing the parameters of the control RF signal.
Технический результат достигается тем, что устройство для измерения переходных характеристик оптических лазерных усилителей содержит из лазерный задающий осциллятор, генерирующий ультракороткие импульсы, стретчер, обеспечивающий чирпирование лазерных импульсов во времени по линейному закону до необходимой длительности, акустооптическую дисперсионную линию, выполненную на основе кристалла, и осуществляющую формирование оптического тестового сигнала посредством дифракции входных лазерных импульсов при произвольной амплитудной и фазовой модуляции его оптического спектра за время нестационарного акустооптического взаимодействия, устройство регистрации переходной характеристики усилителей после усиления ими оптического тестового сигнала, содержащее пикосекундную стрик-камеру и цифровую камеру, ВЧ-генератор управляющих сигналов произвольной формы, обеспечивающих в акустооптическом кристалле ультразвуковую фазовую дифракционную решетку с переменными периодом и глубиной модуляции, обеспечивающую необходимый временной профиль дифрагировавшего лазерного импульса для последующего измерения переходных характеристик оптических усилителей устройством регистрации, ВЧ-усилитель, обеспечивающий усиление радиосигналов, формируемых генератором сигналов произвольной формы и подаваемых на пьезопреобразователь акустооптической дисперсионной линии, систему синхронизации ВЧ-генератора, оптического усилителя и стрик-камеры с лазерным задающим осциллятором, так что при пространственном совпадении координаты оптической спектральной компоненты с координатой ультразвуковой решетки, соответствующей брэгговскому синхронизму в кристалле акустооптической дисперсионной линии, происходит дифракция данной спектральной компоненты лазерного импульса с определенной пиковой мощностью и определенным положением в пространстве в данный момент времени.The technical result is achieved by the fact that the device for measuring the transient characteristics of optical laser amplifiers comprises a laser master oscillator that generates ultrashort pulses, a stretcher that provides chirping of laser pulses in time according to a linear law to the required duration, an acousto-optic dispersion line made on the basis of a crystal, and generating an optical test signal by diffraction of the input laser pulses at arbitrary amplitude and phase modulation of its optical spectrum during unsteady acousto-optic interaction, a device for recording the transient response of amplifiers after amplification of an optical test signal, containing a picosecond streak camera and a digital camera, an RF generator of control signals of arbitrary shape providing an ultrasonic phase diffraction grating with variable variables in an acousto-optic crystal period and depth of modulation, providing the necessary time profile of the diffracted laser and pulse for the subsequent measurement of the transient characteristics of optical amplifiers by a recording device, an RF amplifier that provides amplification of radio signals generated by an arbitrary waveform generator and supplied to a piezo transducer of an acousto-optic dispersion line, a synchronization system for an RF generator, an optical amplifier and a streak camera with a laser master oscillator, that with the spatial coincidence of the coordinates of the optical spectral component with the coordinate of the ultrasonic lattice, Bragg synchronism in a crystal of an acousto-optic dispersion line results in the diffraction of a given spectral component of a laser pulse with a certain peak power and a certain position in space at a given time.
Краткое описание чертежейBrief Description of the Drawings
Фиг. 1. Блок-схема заявленного устройства для измерения переходных характеристик усилителей во временной области.FIG. 1. The block diagram of the claimed device for measuring the transient characteristics of amplifiers in the time domain.
Фиг. 2. Блок-схема созданного экспериментального устройства.FIG. 2. The block diagram of the created experimental device.
Фиг. 3. Тестовый оптический сигнал, сформированный и измеренный заявленным экспериментальным устройством, демонстрирующий экстремально малое время нарастания фронта тестового оптического объекта, равное 5 пс.FIG. 3. A test optical signal generated and measured by the claimed experimental device, showing an extremely short rise time of the front of the test optical object, equal to 5 ps.
Раскрытие изобретенияDisclosure of invention
На Фиг. 1 и 2 обозначены: лазерный задающий осциллятор 1; пучок ультракоротких лазерных импульсов 2; светоделитель 3; вспомогательный пучок 4; стретч ер импульсов 5; пучок чирпированных импульсов 6, акустооптическая дисперсионная линия 7; оптический тестовый сигнал 8; оптический усилитель 9; пучок прошедших через усилитель импульсов 10; пикосекундная стрик-камера 11; цифровая камера 12; система синхронизации 13; ВЧ-генератор сигналов произвольной формы 14; ВЧ-усилитель 15; управляющий радиосигнал акустооптической дисперсионной линии 16; цифровой генератор задержек 17; компьютер 18; объектив 19. Основными элементами устройства являются: лазерный задающий осциллятор, стретчер ультракоротких импульсов, акустооптическая дисперсионная линия, оптический усилитель, пикосекундная стрик-камера, цифровая камера, система синхронизации, ВЧ-усилитель, ВЧ-генератор сигналов произвольной формы.In FIG. 1 and 2 are indicated:
Устройство для измерения переходных характеристик оптических усилителей состоит из задающего осциллятора 1, генерирующего фемтосекундные лазерные импульсы 2; светоделителя 3, формирующего вспомогательный пучок 4; стретчера 5, обеспечивающего растяжение во времени по линейному закону Фурье-ограниченного лазерного импульса от задающего осциллятора из фемтосекундного диапазона длительности до субнаносекундного диапазона длительности и, тем самым, устанавливающего взаимно однозначное соответствие между значением оптической частоты и временем в чирпированном импульсе 6; акустооптической дисперсионной линии 7, выполненной на основе кристалла с квазиколинеарной геометрией взаимодействия и осуществляющей формирование оптического тестового сигнала 8 при взаимодействия и осуществляющей формирование оптического тестового сигнала 8 при дифракции входных чирпированных лазерных импульсов 6 при произвольной амплитудной и фазовой модуляции их оптических спектров за время акустооптического взаимодействия в акустооптической дисперсионной линии 7, в частности, формирование временных оптических тестовых сигналов вида Σrect(ant-bn); оптического усилителя 9, переходные характеристики 10 которого измеряются; устройства временной регистрации оптического сигнала, содержащего пикосекундную стрик-камеру 11 и цифровую камеру 12; системы синхронизации 13, формирующей электрические импульсы синхронизации из оптических импульсов вспомогательного пучка 4; генератора функций произвольной формы 14, формирующего управляющий ВЧ-сигнал 16; ВЧ-усилителя 15, подающего на пьезопреобразователь дисперсионной линии 7 управляющий ЛЧМ-сигнал с амплитудной и фазовой модуляцией, преобразуемый пьезоэлектрическим преобразователем акустооптической дисперсионной линии в ультразвуковую волну в кристалле таким образом, чтобы обеспечить необходимый временной профиль дифрагировавшего лазерного импульса (тестового оптического сигнала 8) для последующего измерения переходных характеристик оптического усилителя 9. Устройство может содержать вспомогательные оптические элементы (линзы, зеркала, фазовые пластинки, поляризаторы, аттенюаторы и т.п.) не влияющие на принцип работы изобретения.A device for measuring the transient characteristics of optical amplifiers consists of a
Принцип измерения переходных характеристик усилителей заключается в следующем. На оптический усилитель 9 подается оптический тестовый сигнал 8, который формируется дисперсионной линией задержки 7 из поступающего на дисперсионную линию задержки чирпированного лазерного излучения 6. Стретчер 5, установленный после лазерного задающего осциллятора 1 перед акустооптической дисперсионной линией 7, обеспечивает чирпирование во времени по линейному закону лазерного импульса 4 из фемтосекундного диапазона длительности до субнаносекундного диапазона длительности и тем самым устанавливает взаимно-однозначное соответствие между значением оптической частоты произвольной спектральной компоненты чирпированного импульса 6 и временем совпадения (соответственно, координатой) данной спектральной компоненты с координатой ЛЧМ ультразвуковой дифракционной решетки с амплитудной и фазовой модуляцией с ультразвуковой частотой, соответствующей брэгговскому синхронизму в кристалле акустооптической линии задержки. Формирование оптического тестового сигнала является адаптивным. В частном случае он может представлять собой бинарную последовательность ультракоротких лазерных импульсов вида Σrect(ant-bn) с экстремально малым временем нарастания/спада фронта. Прошедший через усилитель 9 оптический тестовый сигнал преобразуется в переходный отклик усилителя 10 и направляется на устройство регистрации, содержащее пикосекундную стрик-камеру 11 и цифровую камеру 12. Устройство регистрации представляет собой оптическую импульсную измерительную систему, собранную на основе стрик-камеры с экстремально высоким собственным быстродействием 1-1,5 пс. Устройство регистрации позволяет наблюдать временную форму усиленного оптического тестового сигнала и измерять время нарастания/спада фронта и тем определять временную переходную характеристику усилителя. Быстродействие заявленного измерительного устройства на 1-2 порядка превышает быстродействие современных оптических усилителей, тем самым после математической обработки массива экспериментальных данных гарантируется высокая точность измерений.The principle of measuring the transient characteristics of amplifiers is as follows. An
Оптический тестовый сигнал 8 формируется в акустооптической дисперсионной линии 7 следующим образом. Акустооптическая дисперсионная линия сконструирована на основе квазиколлинеарной геометрии, при которой лазерный пучок распространяется вдоль групповой скорости акустической волны в кристалле. Это позволяет реализовать высокое спектральное разрешение в статическом режиме порядка 104, что минимизирует затягивание фронтов оптического тестового сигнала и дает возможность достичь сверхкоротких фронтов оптических дифрагировавших импульсов (оптических тестовых сигналов) с характерным значением в единицы пикосекунд. В заявленном устройстве акустооптический анизотропный кристалл, в котором можно реализовать квазиколлинеарную или коллинеарную геометрию акустооптического взаимодействия, может быть одноосным или двуосным, например, парателлурит, ниобат лития, молибдат кальция, кристаллы семейства калий-редкоземельных вольфраматов. В акустооптической дисперсионной линии происходит акустооптическое взаимодействие ранее подготовленных определенным образом во временном и спектральном масштабе лазерного импульса и акустического импульса, образующего ЛЧМ дифракционную решетку с амплитудной и фазовой модуляцией внутри акустооптической дисперсионной линии. Скорости акустических волн и света отличаются на несколько порядков, вследствие чего дифракционную решетку можно считать неподвижной.An
Вместо светоделителя 3 для формирования вспомогательного пучка 4 может быть использовано полупрозрачное зеркало в резонаторе лазерного задающего осциллятора 1, нулевой порядок дифракционной решетки стретчера 3, нулевой порядок дифракции на выходе акустооптической дисперсионной линии 5 или иное отражение от вспомогательных оптических элементов.Instead of a
Применение стретчера в такой архитектуре устройства дает возможность осуществить оптимальную параллельную спектральную обработку одиночного чирпированного лазерного импульса посредством акустооптической дисперсионной линии задержки и получить после дифракции в дисперсионной линии задержки оптический тестовый сигнал - одиночный оптический импульс или бинарную последовательность оптических импульсов со временем нарастания/спада оптического фронта дифрагировавшего импульса с типичным значением в единицы пикосекунд, что на порядок превышает время нарастания/спада современных электрооптических устройств.The use of a stretcher in such a device architecture makes it possible to perform optimal parallel spectral processing of a single chirped laser pulse by means of an acousto-optic dispersion delay line and obtain an optical test signal after diffraction in the dispersion delay line — a single optical pulse or a binary sequence of optical pulses with rise / fall times of the optical front of the diffracted pulse with a typical value of a few picoseconds, which is an order of magnitude ok exceeds the rise / fall times of modern electro-optical devices.
Использование генератора сигналов произвольной формы дает возможность адаптивно сформировать во времени оптический тестовый сигнал или последовательность тестовых сигналов оптимальной для анализа переходных характеристик оптических усилителей формы.The use of an arbitrary waveform generator makes it possible to adaptively generate an optical test signal or a sequence of test signals that is optimal for analyzing the transient characteristics of optical shape amplifiers.
Использование для регистрации переходной временной характеристики оптического усилителя сверхбыстродействующей установки регистрации на основе пикосекундной стрик-камеры, объединенной с цифровой камерой и системой синхронизации, позволяет достичь в системе регистрации собственного импульсного отклика порядка 1-1.5 пс, что дает возможность проводить измерения переходной временной характеристики оптических усилителей с исключительно высоким временным разрешением в единицы пикосекунд.The use of an ultra-fast recording setup based on a picosecond streak camera combined with a digital camera and a synchronization system for recording the transient time response of an optical amplifier allows us to achieve an intrinsic impulse response of about 1-1.5 ps in the registration system, which makes it possible to measure the transient time response of optical amplifiers with exceptionally high temporal resolution in units of picoseconds.
В заявленном устройстве акустооптический анизотропный кристалл, используемый для изготовления дисперсионной линии задержки может быть одноосным или двуосным кристаллом, в котором можно реализовать квазиколлинеарную или коллинеарную геометрию акустооптического взаимодействия, например, парателлурит, ниобат лития, молибдат кальция, кристаллы семейства калий-редкоземельных вольфраматов.In the claimed device, the acousto-optic anisotropic crystal used to produce the dispersion delay line can be a uniaxial or biaxial crystal in which the quasi-collinear or collinear geometry of the acousto-optic interaction can be realized, for example, paratellurite, lithium niobate, calcium molybdate, crystals of the potassium rare-earth tungstate family.
Заявленное устройство для измерения переходных характеристик мощных лазерных усилителей может быть эффективно применено для измерения временного разрешения и других оптических устройств.The claimed device for measuring the transient characteristics of high-power laser amplifiers can be effectively used to measure time resolution and other optical devices.
Сущность заявленного устройства и его функционирование основаны на фундаментальных свойствах нестационарной дифракции света, происходящей со скоростью света на протяженной амплитудо-фазовой дифракционной решетке, сформированной при распространении акустической волны в кристалле дисперсионной линии задержки. Работа данного устройства оказывается возможной, благодаря найденной специфической оптической архитектуре устройства, обеспечивающей акустооптическое взаимодействие протяженных в пространстве чирпированных оптических импульсов с протяженными в пространстве акустическими дифракционными решетками, порожденными ультразвуковыми волнами в кристалле. Длина чирпированного лазерного импульса определяется коэффициентом растяжения применяемого стретчера и спектральной полосой исходного Фурье-ограниченного импульса, в свою очередь длина протяженной дифракционной решетки в кристалле определяет спектральную полосу дисперсионной линии в статическом режиме. Состояние оптического импульса (оптическая частота, спектр, фаза, поляризация, пиковая мощность, направление распространения) полностью изменяется вследствие дифракции в тот момент времени, когда оптический импульс покидает область акустооптического взаимодействия в кристалле дисперсионной линии. При этом характерная длительность импульса дифрагированного излучения или тестового оптического объекта связана со скоростью распространения света и, вообще говоря, определяется временем пробега протяженного оптического импульса через протяженную область акустооптического взаимодействия в кристалле. В результате при такой архитектуре акустооптического взаимодействия можно адаптивно формировать тестовые оптические сигналы, модулированные по амплитуде с частотами субтерагерцового диапазона.The essence of the claimed device and its operation are based on the fundamental properties of non-stationary light diffraction occurring at the speed of light on an extended amplitude-phase diffraction grating formed during the propagation of an acoustic wave in a crystal of a dispersion delay line. The operation of this device is possible due to the specific optical architecture of the device, which provides acousto-optic interaction of chirped optical pulses extended in space with spatially extended acoustic diffraction gratings generated by ultrasonic waves in a crystal. The length of the chirped laser pulse is determined by the stretching coefficient of the stretcher used and the spectral band of the initial Fourier-limited pulse, in turn, the length of the extended diffraction grating in the crystal determines the spectral band of the dispersion line in the static mode. The state of an optical pulse (optical frequency, spectrum, phase, polarization, peak power, direction of propagation) completely changes due to diffraction at that moment in time when the optical pulse leaves the region of acousto-optical interaction in the crystal of the dispersion line. In this case, the characteristic pulse duration of the diffracted radiation or the test optical object is related to the speed of light propagation and, generally speaking, is determined by the travel time of the extended optical pulse through the extended region of acousto-optical interaction in the crystal. As a result, with such an acousto-optic interaction architecture, it is possible to adaptively generate test optical signals modulated in amplitude with frequencies of the sub-hertz range.
Подготовка акустической дифракционной решетки заключается в следующем. Управляющий ВЧ-сигнал 16 от генератора функции произвольной формы 14 через ВЧ-усилитель 15 поступает на пьезопреобразователь акустооптической дисперсионной линии 7 и формирует в кристалле адаптивную протяженную чирпированную ЛЧМ ультразвуковую решетку с амплитудной и фазовой модуляцией.The preparation of an acoustic diffraction grating is as follows. The RF control signal 16 from the
Подготовка лазерного импульса заключается в следующем. Оптический ультракороткий импульс 2, генерируемым задающим осциллятором 1, направляется на стретчер 5, установленный перед акустооптической дисперсионной линией задержки 7. Стретчер осуществляет прецизионную трансформацию (чирпирование) длительности ультракороткого импульса по линейному закону и тем самым устанавливает взаимно однозначное соответствие между значением оптической частоты произвольной спектральной компоненты растянутого оптического импульса 8 и координатой данной спектральной компоненты в пространстве.The preparation of a laser pulse is as follows. The ultra-short
Данная оптическая архитектура обеспечивает нестационарное акустооптическое взаимодействие. При этом распространяющийся в пространстве протяженный оптический волновой пакет пересекает заранее сформированный неподвижный акустический волновой пакет в кристалле со скоростью света. Если частоты и амплитуды акустического волнового пакета в кристалле подобраны таким образом, что при распространении оптического волнового пакета вдоль кристалла в определенные моменты возникнут зоны брэгговского синхронизма, то произойдет дифракция. Дифрагировавший модулированный оптический импульс в заявленном устройстве используется как тестовый оптический сигнал. Такая архитектура акустооптического взаимодействия позволяет вырабатывать адаптивные тестовые оптические сигналы с экстремально короткими фронтами, вообще говоря, соответствующие характерному времени пробега чирпированного лазерного импульса через протяженную брэгговскую решетку в кристалле. В частном случае, возможно вырабатывать оптические сигналы вида Σrect(ant-bn) для измерения временных переходных характеристик оптических устройств.This optical architecture provides transient acousto-optic interaction. In this case, an extended optical wave packet propagating in space crosses a pre-formed stationary acoustic wave packet in a crystal at the speed of light. If the frequencies and amplitudes of the acoustic wave packet in the crystal are selected so that during the propagation of the optical wave packet along the crystal at certain moments Bragg synchronism zones arise, then diffraction will occur. The diffracted modulated optical pulse in the claimed device is used as a test optical signal. Such an architecture of acousto-optical interaction allows the generation of adaptive test optical signals with extremely short fronts, generally speaking, corresponding to the characteristic travel time of a chirped laser pulse through an extended Bragg grating in a crystal. In the particular case, it is possible to generate optical signals of the form Σrect (a n tb n ) for measuring the temporal transient characteristics of optical devices.
Данная архитектура нестационарного акустооптического взаимодействия обладает специфической особенностью, расширяющей функциональное применение заявленного устройства. Так как в чирпированном лазерном импульсе спектральные компоненты излучения распределены в пространстве, можно формировать оптические тестовые сигналы в различных спектральных областях длин волн из исходного пространственного спектрального массива и тем самым измерять оптические переходные характеристики оптических устройств в различных спектральных поддиапазонах длин волн в пределах области спектрального коэффициента усиления оптического усилителя или в пределах спектрального окна прозрачности оптического устройства.This architecture of non-stationary acousto-optical interaction has a specific feature that extends the functional application of the claimed device. Since the spectral components of the radiation are distributed in space in a chirped laser pulse, it is possible to generate optical test signals in different spectral ranges of wavelengths from the original spatial spectral array and thereby measure the optical transient characteristics of optical devices in different spectral sub-ranges of wavelengths within the spectral gain region optical amplifier or within the spectral transparency window of an optical device.
Предлагаемое устройство для измерения переходных характеристик (временного разрешения) мощных лазерных усилителей в рабочем режиме может быть воспроизведено на основе элементов и приборов, освоенных и серийно выпускаемых промышленностью.The proposed device for measuring the transient characteristics (time resolution) of high-power laser amplifiers in the operating mode can be reproduced on the basis of elements and devices mastered and commercially available by industry.
Заявленные функциональные особенности устройства для измерения переходных характеристик (временного разрешения) мощных лазерных усилителей в рабочем режиме подтверждены фактом изготовления экспериментального образца устройства и результатами эксперимента. Блок-схема экспериментального устройства представлена на Фиг. 3. Она концептуально соответствует блок-схеме заявленного устройства на Фиг. 2.The claimed functional features of the device for measuring the transient characteristics (time resolution) of high-power laser amplifiers in the operating mode are confirmed by the fact of manufacturing an experimental model of the device and the results of the experiment. A block diagram of an experimental device is shown in FIG. 3. It conceptually corresponds to the block diagram of the claimed device in FIG. 2.
Задающий осциллятор 1 генерировал оптические импульсы длительностью 12 фс с шириной спектра 130 нм, центральная длина волны 800 нм, частота повторения импульсов 75 МГц. Генератор радиосигналов 14 произвольной формы управлялся от компьютера 18 посредством оригинальной программы (Юшков К.Б. / Программа синтеза произвольных функций пропускания акустооптического фильтра: свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2015614750 от 05.03.2015). Усилитель 15 увеличивал амплитуду сигнала генератора до пиковой мощности 10 Вт. Стретчер 5 имел центральную длину волны 800 нм и конструктивное ограничение по пропускаемой спектральной полосе 100 нм. Стретчер растягивал фемтосекундный импульс до длительности 600 пс. Устройство регистрации фронтов состояло из пикосекундной стрик-камеры 11 с импульсным откликом 1,2 пс и генератора задержек 17. Система синхронизации 13 обеспечивала частоту синхроимпульсов 20 Гц.The
Разработанная коллективом заявителей настоящего изобретения акустооптическая дисперсионная линия задержки 7 была изготовлена на основе монокристаллов парателлурита длиной 67 мм и имела ширину аппаратной функции 0,24 нм по уровню - 3 дБ, измеренную в одночастотном статическом режиме (В.Я. Молчанов, С.И. Чижиков, К.Б. Юшков. Двухкасадная акустооптическая дисперсионная линия задержки для сверхкоротких лазерных импульсов // Квантовая электроника.- Т. 41, №8. - С. 675. - 2011).The acousto-optic
Целью эксперимента являлось формирование с помощью экспериментального устройства оптического тестового сигнала и измерение сформированных устройством оптических фронтов. С этой целью спектральный интервал излучения 100 нм после стретчера был разделен посредством акустооптической дисперсионной линии 7 на равные интервалы с шириной 0,96 нм каждый. Дифрагировавший пучок после акустооптической дисперсионной линии направлялся на систему регистрации оптических фронтов.The purpose of the experiment was the formation of an optical test signal using an experimental device and the measurement of optical fronts generated by the device. To this end, the spectral emission interval of 100 nm after the stretcher was divided by means of an acousto-
Вначале был осуществлен эксперимент по генерации в оптического тестового сигнала, состоящего из эквидистантно расположенных импульсных цугов. В этой целью каждый спектральный интервал был промодулирован по амплитуде со значениями либо 0, либо 1. Это дало возможность проверить линейность акустической ЛЧМ решетки в кристалле акустооптической дисперсионной линии и осуществить необходимую калибровку.Initially, an experiment was carried out to generate an optical test signal consisting of equidistant pulsed trains. For this purpose, each spectral interval was modulated in amplitude with values of either 0 or 1. This made it possible to verify the linearity of the acoustic LFM lattice in the crystal of the acousto-optic dispersion line and to carry out the necessary calibration.
Для оценки функциональных возможностей заявленного устройства была выполнена серия измерений собственной переходной характеристики после акустооптической дисперсионной линии при прямоугольной спектральной модуляции чирпированного лазерного импульса в соответствии с произвольной бинарной последовательностью по закону Σrect(ant-bn). Фрагмент переходной характеристики после акустооптической дисперсионной линии в интервале времени 50 пс получен экспериментально, массив данных подвергнут математической обработке. Результаты эксперимента представлены на Фиг. 3. Время нарастания/спада фронтов лазерного импульса составило величину порядка 5 пс. На Фиг. 3 обозначены: результат одиночного измерения 1; усреднение по результатам четырех измерений 2.To assess the functionality of the claimed device, a series of measurements of the intrinsic transient response after an acousto-optical dispersion line was performed with rectangular spectral modulation of a chirped laser pulse in accordance with an arbitrary binary sequence according to the law Σrect (a n tb n ). A fragment of the transition characteristic after an acousto-optical dispersion line in the time interval of 50 ps was obtained experimentally, the data array was subjected to mathematical processing. The experimental results are shown in FIG. 3. The rise / fall times of the fronts of the laser pulse amounted to about 5 ps. In FIG. 3 marked: the result of a
Результаты эксперимента подтверждают правильность разработанной заявителями концепции, архитектуры и конструкции измерительного устройства.The results of the experiment confirm the correctness of the concept developed by the applicants, the architecture and design of the measuring device.
Из Фиг. 3 можно сделать вывод, что заявленное устройство для измерения оптических переходных характеристик оптических усилителей и других оптических приборов и систем ультракоротких лазерных импульсов акустооптическим методом, приведенное на Фиг. 1, может генерировать и регистрировать оптические тестовые сигналы с исключительно высоким собственным временным разрешением порядка единиц пикосекунд, что позволяет по сравнению с электрооптическим методом измерять на порядок более быстрые оптические процессы в оптических усилителях.From FIG. 3 it can be concluded that the claimed device for measuring the optical transient characteristics of optical amplifiers and other optical devices and systems of ultrashort laser pulses by the acousto-optic method shown in FIG. 1, it can generate and register optical test signals with an extremely high intrinsic time resolution of the order of units of picoseconds, which makes it possible to measure an order of magnitude faster optical processes in optical amplifiers compared to the electro-optical method.
Claims (11)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2016149753A RU2650854C1 (en) | 2016-12-19 | 2016-12-19 | Device for measuring transient characteristics of optical amplifiers |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2016149753A RU2650854C1 (en) | 2016-12-19 | 2016-12-19 | Device for measuring transient characteristics of optical amplifiers |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2650854C1 true RU2650854C1 (en) | 2018-04-17 |
Family
ID=61976940
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2016149753A RU2650854C1 (en) | 2016-12-19 | 2016-12-19 | Device for measuring transient characteristics of optical amplifiers |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2650854C1 (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2707397C1 (en) * | 2019-01-10 | 2019-11-26 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом") | Method for simultaneous monitoring of space-time characteristics of one or more ultrashort laser radiation pulses on the surface of a flat target |
| RU2796527C1 (en) * | 2023-01-24 | 2023-05-25 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Федеральный исследовательский центр "Институт общей физики им. А.М. Прохорова Российской академии наук" | Complex for non-destructive measurement of absorption saturation of optical materials |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU989521A1 (en) * | 1981-07-21 | 1983-01-15 | Институт Физики Им.Л.В.Киренского | Acoustooptic transducer |
| US6181463B1 (en) * | 1997-03-21 | 2001-01-30 | Imra America, Inc. | Quasi-phase-matched parametric chirped pulse amplification systems |
| RU107868U1 (en) * | 2011-05-04 | 2011-08-27 | Владимир Яковлевич Молчанов | TWO-STAGE ADAPTIVE DISPERSION OPTICAL DELAY LINE (OPTIONS) |
| RU2486553C1 (en) * | 2011-12-23 | 2013-06-27 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский физико-технический институт (государственный университет)" (МФТИ) | Acousto-optical system |
-
2016
- 2016-12-19 RU RU2016149753A patent/RU2650854C1/en active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU989521A1 (en) * | 1981-07-21 | 1983-01-15 | Институт Физики Им.Л.В.Киренского | Acoustooptic transducer |
| US6181463B1 (en) * | 1997-03-21 | 2001-01-30 | Imra America, Inc. | Quasi-phase-matched parametric chirped pulse amplification systems |
| RU107868U1 (en) * | 2011-05-04 | 2011-08-27 | Владимир Яковлевич Молчанов | TWO-STAGE ADAPTIVE DISPERSION OPTICAL DELAY LINE (OPTIONS) |
| RU2486553C1 (en) * | 2011-12-23 | 2013-06-27 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский физико-технический институт (государственный университет)" (МФТИ) | Acousto-optical system |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| Молчанов В. Я. и др. "Двухкаскадная акустооптическая дисперсионная линия задержки для сверхкоротких лазерных импульсов", Квантовая электроника. Т. 41, N. 8, 2011 г., стр. 675-676. * |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2707397C1 (en) * | 2019-01-10 | 2019-11-26 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом") | Method for simultaneous monitoring of space-time characteristics of one or more ultrashort laser radiation pulses on the surface of a flat target |
| RU2796527C1 (en) * | 2023-01-24 | 2023-05-25 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Федеральный исследовательский центр "Институт общей физики им. А.М. Прохорова Российской академии наук" | Complex for non-destructive measurement of absorption saturation of optical materials |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP2020074033A (en) | Acoustic optical deflector equipped with multiple output beams | |
| US11143558B2 (en) | Method and system for measuring transient time width of ultrashort pulse | |
| CN111123560B (en) | Optical pulse modulation method and system based on multi-frequency acousto-optic modulation and grating diffraction | |
| US10378964B2 (en) | Pulsed light waveform measurement method and waveform measurement device | |
| CN107567669A (en) | The optical system and method characterized for ultrashort laser pulse | |
| CN103872568B (en) | Eliminate the chirped pulse chirped amplification system of high-order dispersion | |
| CN105651399B (en) | The weak phase measurement device of time domain phase recovery full optical fiber laser pulse and measurement method | |
| Manzoni et al. | Optical-parametric-generation process driven by femtosecond pulses: Timing and carrier-envelope phase properties | |
| US20230075147A1 (en) | Method and system using optical phase modulation and optical phase demodulation and spectral filtering to generate an optical pulse train | |
| RU2650854C1 (en) | Device for measuring transient characteristics of optical amplifiers | |
| CN103444018B (en) | Stable femtosecond pulse laser and antihunt means | |
| Molchanov et al. | Measurement of amplified binary-modulated chirped laser pulses generated by different acousto-optic pulse shaping algorithms | |
| Trull et al. | Ultrashort pulse chirp measurement via transverse second-harmonic generation in strontium barium niobate crystal | |
| RU2687513C1 (en) | Device for adaptive time profiling of ultrashort laser pulses | |
| JP2017517038A (en) | Optical parametric generator | |
| Stoker et al. | Optical third-harmonic generation using ultrashort laser pulses | |
| EP2899816A1 (en) | Method and device for time synchronization of picosecond and subpicosecond laser pulses | |
| Sinkevicius et al. | Investigation of frequency response of pockels cells based on beta barium borate crystals | |
| Velten et al. | Instabilities in intracavity pumped optical parametric oscillators and methods of stabilization | |
| JP3937021B2 (en) | Sampling light generator and optical sampling device using the same | |
| Hecht | How the laser launched nonlinear optics | |
| CN103560390B (en) | The 800nm ultra-short pulse laser that carrier phase is stable produces amplifying device | |
| Molchanov et al. | Acousto-Optic Dispersive Devices for High-Power Pulsed Laser Optics | |
| Molchanov et al. | Adaptive optical delay lines for femtosecond laser pulses shaping | |
| Cojocaru et al. | Transverse cross-correlation scheme for pulse shape measurement in random nonlinear crystals |