RU2687513C1 - Устройство для адаптивного временного профилирования ультракоротких лазерных импульсов - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к области лазерной техники и касается устройства для адаптивного временного профилирования ультракоротких лазерных импульсов. Устройство включает в себя лазерный задающий осциллятор, стретчер, обеспечивающий чирпирование лазерного импульса, акустооптическую дисперсионную линию, выполненную на основе кристалла с анизотропным типом акустооптического взаимодействия и осуществляющую профилирование лазерного импульса посредством дифракции чирпированных лазерных импульсов при произвольной амплитудной и фазовой модуляции их оптических спектров за время нестационарного акустооптического взаимодействия, устройство регистрации формы лазерных импульсов, содержащее стрик-камеру и цифровую камеру, систему синхронизации, генератор функции произвольной формы, который адаптивно формирует в кристалле ЛЧМ ультразвуковую дифракционную решетку с амплитудной и фазовой модуляцией таким образом, чтобы обеспечить необходимый временной профиль дифрагировавшего лазерного импульса, и ВЧ-усилитель сигналов. Технический результат заключается в обеспечении возможности адаптивного временного профилирования лазерных импульсов со сверхвысоким разрешением и адаптивного варьирования временного профиля и задержки импульса. 8 з.п. ф-лы, 3 ил.

Description

Изобретение относится к области физики лазеров, акустооптики, оптоэлектроники. Устройство может быть использовано в лазерных установках инерциального термоядерного синтеза, в том числе многоканальных.

Из уровня техники известно, что в последние годы в области исследования инерциального термоядерного синтеза особое значение приобретает концепция быстрого зажигания. Быстрое зажигание мишеней представляется наиболее перспективным из предложенных на сегодняшний день методов снижения энергии зажигания и увеличения коэффициента термоядерного усиления плазмы с инерциальным удержанием.

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 лазерного импульса профилированного во времени по специальному закону (С.Ю. Гуськов. Быстрое зажигание мишеней инерциального синтеза // Физика плазмы. - Т. 39, №1.- С. 3. - 2013).

Из уровня техники известно, что активные среды мощных оптических усилителей вызывают спектральные и фазовые искажения ультракоротких усиливаемых импульсов и, соответственно, искажения переходных временных процессов в рабочем режиме. В многоканальной лазерной системе дополнительно может возникать нарушение синхронного воздействия импульсов на мишень вследствие нескомпенсированной разницы оптических путей между лазерными каналами. Эти обстоятельства являются крайне значимыми для временной синхронизации всех лазерных каналов при одновременном многоканальном воздействии на мишень излучения импульсных источников энергии. Для обеспечения требуемого профилирования лазерных импульсов и их синхронного воздействия на мишень в стартовой части мощных лазерных установок применяют устройства временного профилирования импульсов.

В установках инерциального термоядерного синтеза NIF (США), LMJ (Франция) для создания программируемого во времени воздействия лазерных импульсов многоканальной системы на термоядерную мишень в стартовой части применяются электрооптические амплитудно-фазовые модуляционные устройства с характерным значением переходной характеристики 50 пс (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.)

Недостатки этих амплитудно-фазовых электрооптических устройств заключаются в принципе получения требуемого импульса и в его параметрах. Электрооптические устройства вырезают посредством электронного управления из исходного импульса длительностью несколько десятков наносекунд импульс требуемой длительности в несколько наносекунд. В итоге эти устройства позволяют формировать импульсы с минимальной длительностью порядка 1 не и с фиксированной шириной спектра, равной ширине спектра исходного лазерного излучения.

Общим недостатком вышеуказанных электрооптических модуляционных устройств является относительно медленная для физики сверхбыстрых оптических процессов переходная характеристика, которая не превышает характерного значения 50 пс, что ограничивает функциональные возможности устройств на основе электрооптического эффекта в кристаллах для формирования профилированных лазерных импульсов с ультракороткими фронтами в единицы пикосекунд.

Известны оптические модуляторы на полупроводниках, управляемые сверхбыстрыми электромагнитными полями (S.F. Preble, Q. Xu, B.S. Schmidt, M. Lipson. Ultrafast all-optical modulation on a silicon chip // Optics Letters. - V. 30, №21. - P. 2891. - 2005. S. Schonenberger et al. Ultrafast all-optical modulator with femtojoule absorbed switching energy in silicon-on-insulator // Optics Express - V. 18, №21. - P. 22485. - 2010). Быстродействие таких устройств также составляет величину порядка 100 пс, а требуемые размеры пучка составляют не более 10 мкм.

Из уровня техники известны устройства на основе акустооптического эффекта (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, осуществляющее управление комплексными спектрами ультракоротких лазерных импульсов посредством произвольной амплитудной и фазовой модуляции их оптических спектров при акустооптическом взаимодействии (Молчанов В.Я., Чижиков С.И., 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).

Известны акустооптические дисперсионные линии задержки на основе неколлинеарного акустооптического взаимодействия, в которых осуществляется разложение излучения в пространственный спектр дифракционной решеткой с Фурье-линзой, акустооптическая модуляция спектра и последующее восстановление пучка второй Фурье-линзой и второй дифракционной решеткой (М.A. Dugan, J.X. Tull, and W.S. Warren. High-resolution acousto-optic shaping of unamplified and amplified femtosecond laser pulses // Journal of the Optical Society of America В. - V. 14, №9. - P. 2348. - 1997). Также известны акустооптические дисперсионные линии задержки на основе неколлинеарного акустооптического взаимодействия, в которых используется анизотпропия упругих свойств кристалла для обеспечения пространственно-распределенной нестационарной дифракции без использования дифракционных решеток (P. Maak et al. Shaping of ultrashort pulses using bulk acousto-optic filter // Applied Physics В - Lasers and Optics. - V. 82, №. 2. - P. 283. - 2006.)

Известно устройство (аналог) для формирования лазерных импульсов пико- и наносекундной длительности с заданной временной формой (Романов В.В., Рукавишников Н.Н., Соколовский С.В., Сухарев С.А. / Оптическая система для формирования лазерных импульсов пико- и наносекундной длительности: пат. РФ на полезную модель от 09.08.2010. - RU 101277 U1). В данном устройстве лазерное излучение проходит через стретчер, построенный на паре дифракционных решеток и компенсационном отражателе. На выходе из стретчера размещен отражающий оптический элемент, выполненный в виде уголкового отражателя с геометрией, позволяющей обеспечить, по меньшей мере, двухпроходную систему прохождения лазерного излучения через стретчер. В стретчер может быть введен амплитудный транспарант, позволяющий модулировать амплитуду импульса. Применение амплитудного транспарант дает возможность плавно изменять длительность лазерного импульса в пределах от 150 пс до 20 нс. Недостатком аналога является то, что данное устройство не управляется электронным образом: управление временной длительностью импульса осуществляется механической перестройкой оптических элементов устройства.

Задачей изобретения является создание на основе акустооптической специализированной линии задержки электронно-управляемого устройства для адаптивного временного профилирования ультракоротких лазерных импульсов.

Техническим результатом, обеспечиваемым разработанным устройством на основе специализированной конструкции акустооптической дисперсионной линии задержки и на основе ее специализированного управления ультракороткими лазерными импульсами, является обеспечение возможности адаптивного временного профилирования чирпированных лазерных импульсов со сверхвысоким временным разрешением и возможностью адаптивного варьирования временного профиля и задержки импульса посредством изменения параметров управляющего высокочастотного (ВЧ) сигнала.

Технический результат достигается тем, что в устройстве для временного профилирования лазерного импульса, содержащем лазерный задающий осциллятор, генерирующий последовательность ультракоротких фемтосекундных или пикосекундных импульсов, акустооптическую дисперсионную линию, выполненную на основе кристалла с коллинеарной, квазиколинеарной или ортогональной геометрией взаимодействия и осуществляющую формирование лазерного профилированного импульса посредством дифракции входного чирпированного лазерного импульса при произвольной амплитудной и фазовой модуляции его частотного спектра за время нестационарного акустооптического взаимодействия, ВЧ-генератор сигналов произвольной формы, ВЧ-усилитель, стретчер, установленный после лазерного осциллятора перед акустооптической дисперсионной линией задержки, обеспечивающий чирпирование во времени по линейному закону лазерного импульса до субнаносекундного или наносекундного диапазона длительности и тем самым устанавливающий взаимнооднозначное соответствие между значением оптической частоты произвольной спектральной компоненты чирпированного импульса и временем пересечения данной спектральной компонентой координаты линейно частотно модулированной (ЛЧМ) ультразвуковой дифракционной решетки с дополнительной амплитудной и фазовой модуляцией, устройство регистрации временного профиля лазерного импульса, содержащее пикосекундную стрик-камеру и цифровую камеру, электронную систему синхронизации ВЧ-генератора и стрик-камеры с лазерным задающим осциллятором посредством электрического сигнала, разветвитель, в котором часть дифрагировавшего в акустооптической дисперсионной линии излучения направляется на устройство регистрации, а оставшаяся часть излучения является выходным, так что при пространственном совпадении координаты оптической спектральной компоненты с областью брэгговского синхронизма в кристалле происходит дифракция данной спектральной компоненты оптического лазерного импульса, определяющая его мгновенную мощность, при этом усилитель подает на пьезопреобразователь дисперсионной линии от ВЧ-генератора сигналов произвольной формы управляющий сигнал, формирующий в кристалле адаптивную ЛЧМ ультразвуковую решетку с дополнительной амплитудной и фазовой модуляцией таким образом, чтобы обеспечить необходимый временной профиль дифрагировавшего лазерного импульса для последующего усиления, а измеренная устройством регистрации форма импульса используется в цепи цифровой обратной связи на основе компьютера для коррекции сигнала ВЧ-генератора.

Применение стретчера в такой архитектуре устройства дает возможность осуществить оптимальную параллельную спектральную обработку одиночного чирпированного лазерного импульса посредством акустооптической дисперсионной линии задержки и в результате получить после дифракции в дисперсионной линии задержки профилированной во времени по программируемому закону чирпированный оптический импульс. В частности, временной профиль оптического импульса может представлять собой бинарную последовательность оптических импульсов со временем нарастания/спада оптического фронта дифрагировавшего импульса с типичным значением в единицы пикосекунд, что на порядок меньше времени нарастания/спада интенсивности, достижимых при помощи современных электрооптических устройств.

Использование ВЧ-генератора сигналов произвольной формы дает возможность адаптивно сформировать во времени управляющий ВЧ-сигнал, необходимый для получения амплитудного профиля оптического импульса, оптимального для безударного сжатия мишени.

Использование акустооптической дисперсионной линии на основе коллинеарной или квазиколлинеарной геометрии, при которой лазерный пучок распространяется вдоль групповой скорости акустической волны в кристалле дисперсионной линии позволяет реализовать высокое спектральное разрешение линии при работе в режиме синтеза комплексных оптических спектров в динамическом режиме порядка 10³-10⁴, что дает возможность достичь сверхкоротких фронтов оптических дифрагировавших импульсов с типичным значением в единицы пикосекунд. Использование акустооптической дисперсионной линии на основе ортогональной геометрии с дополнительными дифракционными решетками или без них позволяет повысить частоту обновления ВЧ-сигналов и, следовательно, быстродействие системы обратной связи.

Использование электронной системы синхронизации ВЧ-генератора и стрик-камеры с лазерным задающим осциллятором позволяет обеспечить требуемое положение ЛЧМ ультразвуковой решетки в кристалле акустооптической дисперсионной линии и срабатывание стрик-камеры в момент генерации лазерного импульса задающим осциллятором. При этом в качестве оптического пучка, преобразуемого светодиодом в синхронизирующий электрический сигнал, может быть использован пучок, частично прошедший через одно из зеркал резонатора задающего осциллятора, отражение нулевого или любого другого неиспользованного дифракционной порядка дифракционной решетки стретчера, пучок нулевого порядка дифракции в акустооптической дисперсионной линии, или другой пучок, частично отраженный или пропущенный другими вспомогательными элементами оптической системы, такими как котировочные зеркала, поляризаторы, светоделители.

Использование в качестве разветвителя светоделителя позволяет одновременно осуществлять измерение формы импульса и получать выходные импульсы, но вносит ослабление в световой пучок. Использование в качестве разветвителя переключателя позволяет снизить потери в выходном пучке, но требует поочередного измерения формы импульса и получения выходного пучка.

Использование для регистрации временного профиля дифрагировавшего лазерного импульса сверхбыстродействующего устройства регистрации на основе пикосекундной стрик-камеры, объединенной с цифровой камерой, с системой синхронизации позволяет достичь в системе регистрации собственного импульсного отклика порядка 1 пс, что позволяет проводить измерения сформированного временного профиля лазерного импульса с исключительно высоким временным разрешением.

Использование цифровой обратной связи на основе компьютера заключается в итерационной минимизации отклонения измеренного временного профиля лазерного импульса от заданной формы путем коррекции управляющих сигналов, формируемых ВЧ-генератором и подаваемых на дисперсионную линию задержки, и позволяет достичь высокой точности воспроизведения этой формы.

В заявленном устройстве акустооптический анизотропный кристалл, используемый для изготовления дисперсионной линии задержки может быть одноосным или двуосным кристаллом, в котором можно реализовать коллинеарную, квазиколлинеарную или неколлинеарную геометрию акустооптического взаимодействия, например, парателлурит, кварц, дигидрофосфат калия, ниобат лития, молибдат кальция, кристаллы семейства калий-редкоземельных вольфраматов.

Заявленное устройство может быть применено для измерения временного разрешения дисперсионных линий задержки.

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 протяженной в пространстве объемной чипированной дифракционной решеткой, порожденной ультразвуковыми волнами в кристалле. Длина чирпированного ультракороткого 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 и предельную частоту обновления ВЧ-сигналов. 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 дифрагировавшего излучения или профилированного лазерного импульса 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 профилировать импульсы, модулированные по амплитуде с частотами субтерагерцового диапазона. Изобретение поясняется чертежом.

Фиг. 1. Блок-схема заявленного устройства для адаптивного временного профилирования ультракоротких лазерных импульсов.

Фиг. 2. Блок-схема созданного экспериментального устройства.

Фиг. 3. Временной профиль лазерного импульса, сформированный заявленным устройством для адаптивного временного профилирования ультракоротких импульсов, демонстрирующий экстремально малое время нарастания оптического фронта, равное 5 пс.

На Фиг. 1 и 2 обозначены: 1 - лазерный задающий осциллятор; 2 - пучок ультракоротких лазерных импульсов; 3 - стретчер; 4 - пучок чирпированных лазерных импульсов; 5 - акустооптическая дисперсионная линия задержки; 6 - пучок профилированных лазерных импульсов; 7 - разветвитель; 8 - выходной пучок; 9 - диагностический пучок; 10 - пикосекундная стрик-камера; 11 - цифровая камера; 12 - компьютер; 13 - ВЧ-генератор сигналов произвольной формы; 14 - ВЧ-усилитель; 15 - электронная система синхронизации; 16 - цифровой генератор задержек; 17 - фокусирующая линза.

Предлагаемое изобретение осуществляется следующим образом.

Блок-схема устройства для адаптивного временного профилирования ультракоротких лазерных импульсов показана на Фиг. 1.

Принцип работы устройства для адаптивного временного профилирования импульсов иллюстрируется на Фиг. 1 и заключается в следующем. Задающий осциллятор 1 непрерывно генерирует последовательность фемтосекундных лазерных импульсов. Выходной пучок задающего осциллятора 2 поступает на вход стретчера 3, который растягивает фемтосекундные импульсы, формируя пучок чирпированных импульсов 4, подаваемый на вход акустооптической дисперсионной линии задержки 5. Первый дифракционный порядок формирует пучок профилированных импульсов 6, падающий на разветвитель 7, после которого формируются выходной пучок 8 и диагностический пучок 9, поступающий на вход стрик-камеры 10, сигнал с которой регистрируется цифровой камерой 11. Высокочастотный сигнал, подаваемый на пьезопреобразователь акустооптической дисперсионной линии задержки 5 формируется в цифровом виде компьютером 12, синтезируется генератором сигналов произвольной формы 13 и усиливается до необходимого уровня мощности широкополосным ВЧ-усилителем 14. Система синхронизации 15 преобразует последовательность лазерных импульсов в последовательность электрических импульсов и прореживает их до частоты, совместимой с частотой обновления сигналов акустооптической дисперсионной линии задержки и частотой считывания сигналов стрик-камеры и устанавливающего необходимые задержки запускающих импульсов ВЧ-генератора и стрик-камеры.

Устройство регистрации содержит формирующий объектив, пикосекундную стрик-камеру и цифровую камеру. Устройство регистрации представляет собой оптическую импульсную измерительную систему, собранную на основе сверхбыстродействующей стрик-камеры с экстремально высоким временным разрешением. Устройство регистрации позволяет наблюдать временную форму сформированного профиля лазерного импульса.

Адаптивное профилирование чирпированного лазерного импульса осуществляется в акустооптической дисперсионной линии следующим образом. Акустооптическая дисперсионная линия может быть сконструирована на основе коллинеарной или квазиколлинеарной геометрии, при которых лазерный пучок распространяется вдоль групповой скорости акустической волны в кристалле. Это позволяет реализовать высокое спектральное разрешение акустооптической дисперсионной линии в статическом режиме порядка 10⁴, что минимизирует уширение фронтов оптического сигнала. Акустооптический анизотропный кристалл, в котором можно реализовать коллинеарную или квазиколлинеарную геометрию акустооптического взаимодействия, может быть одноосным или двуосным, например, парателлурит, кварц, дигидрофосфат калия, ниобат лития, молибдат кальция, кристаллы семейства калий-редкоземельных вольфраматов. Типичная конструкция акустооптической дисперсионной линии представлена в патентах RU 2453878 C1, RU 106004 U1. Акустооптическая дисперсионная линия также может быть сконструирована на основе неколлинеарной геометрии, при которой лазерный пучок распространяется под углом к групповой скорости акустической волны в кристалле и пересекает ультразвуковой пучок. Это позволяет реализовать высокую частоту обновления ВЧ-сигналов в акустооптической дисперсионной линии за счет уменьшения времени пересечения акустическом пучком области взаимодействия к кристалле. Акустооптический анизотропный кристалл, в котором можно реализовать неколлинеарную геометрию акустооптического взаимодействия, может быть одноосным или двуосным, например, парателлурит, кварц, дигидрофосфат калия, ниобат лития, 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.

Подготовка акустической дифракционной решетки заключается в следующем. Управляющий ВЧ-сигнал от генератора сигналов произвольной формы через ВЧ-усилитель поступает на пьезопреобразователь и формирует в кристалле адаптивную протяженную чирпированную ЛЧМ ультразвуковую решетку с амплитудной и фазовой модуляцией.

Подготовка лазерного импульса заключается в следующем. Оптический ультракороткий импульс, генерируемый лазерным задающим осциллятором, направляется на стретчер, установленный перед акустооптической дисперсионной линией задержки. 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 чирпированного оптического импульса и координатой данной спектральной компоненты в пространстве.

Данная специфическая оптическая архитектура обеспечивает нестационарное акустооптическое взаимодействие. При этом распространяющийся в пространстве протяженный оптический цуг пересекает заранее сформированный неподвижный акустический цуг в кристалле со скоростью света. Если частоты и амплитуды акустического цуга в кристалле подобраны с помощью ВЧ-генератора сигналов произвольной формы таким образом, что при распространении оптического цуга по кристаллу возникнут зоны брэгговского синхронизма, то произойдет дифракция. Дифрагировавший профилированный лазерный цуг в заявленном устройстве используется для последующего усиления. Такая архитектура акустооптического взаимодействия позволяет адаптивно вырабатывать профилированные лазерные импульсы с экстремально короткими фронтами, вообще говоря, соответствующие характерному времени пробега входящего чирпированного импульса через протяженную брэгговскую решетку в кристалле.

Данная архитектура акустооптического взаимодействия обладает еще одной особенностью. Так как в оптическом цуге спектральные компоненты ультракороткого лазерного импульса растянуты в пространстве, то можно формировать профилированные импульсы из различных спектральных областей исходного спектрального массива.

Предлагаемое устройство для адаптивного временного профилирования ультракоротких лазерных импульсов может быть воспроизведено на основе элементов, приборов и материалов, освоенных и серийно выпускаемых промышленностью.

Заявленные функциональные особенности устройства для адаптивного временного профилирования ультракоротких лазерных импульсов подтверждены фактом изготовления экспериментального образца устройства и результатами экспериментальных работ. Блок-схема экспериментального устройства представлена на Фиг. 2.

Фемтосекундный лазерный задающий осциллятор 1 генерировал оптические импульсы длительностью 12 фс с шириной спектра 130 нм, центральная длина волны 800 нм, частота повторения импульсов 75 МГц. Стретчер 3 имел центральную длину волны 800 нм и конструктивное ограничение по пропускаемой спектральной полосе 100 нм. Стретчер растягивал фемтосекундный импульс лазерного задающего осциллятора до длительности 600 пс. Оптическая схема стретчера позволяла использовать нулевой порядок дифракционной решетки, подаваемый на вход системы синхронизации 15. ВЧ-генератор сигналов произвольной формы 13 управлялся от компьютера 12 посредством оригинальной программы (Юшков К.Б. / Программа синтеза произвольных функций пропускания акустооптического фильтра: свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ от 05.03.2015 №2015614750). ВЧ-усилитель 14 увеличивал пиковую мощность сигнала, подаваемого на пьезопреобразователь акустооптической дисперсионной линии 7 до уровня 10 Вт. Устройство регистрации фронтов состояло из пикосекундной стрик-камеры 10 с импульсным откликом 1,2 пс и ПЗС-камеры 11. Система синхронизации 15 обеспечивала частоту синхроимпульсов 20 Гц. Дополнительно для тонкой подстройки синхронизации стрик-камеры был использован цифровой генератор задержек электрических сигналов 16. Для повышения соотношения уровня сигнала к уровню шума дифрагировавший в акустооптической дисперсионной линии пучок 6 фокусировался на входном окне стрик-камеры линзой 17.

Разработанная коллективом заявителей настоящего изобретения акустооптическая дисперсионная линия задержки 7 квазиколлинеарной геометрии 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).

Целью эксперимента являлось формирование с помощью экспериментального устройства профилированного оптического тестового сигнала и измерение его фронтов. С этой целью спектральный интервал 100 нм после стретчера был разделен на равные интервалы с шириной 0,96 нм. Дифрагировавший пучок после акустооптической дисперсионной линии направлялся на систему регистрации оптических фронтов.

Вначале был осуществлен эксперимент по генерации в профилированном оптическом тестовом объекте цуга эквидистантно расположенных импульсов. С 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 и осуществить необходимую калибровку.

Для оценки функциональных возможностей профилирования ультракоротких лазерных импульсов заявленным устройством была выполнена серия измерений собственной переходной характеристики при прямоугольной спектральной модуляции чирпированного лазерного импульса в соответствии с произвольной бинарной последовательностью по закону Σrect(a_nt-b_n). Фрагмент переходной характеристики в интервале времени 50 пс получен экспериментально. Результаты эксперимента представлены на Фиг. 3.

Результаты эксперимента подтверждают правильность разработанной заявителями концепции, архитектуры и конструкции измерительного устройства.

Из Фиг. 3 можно сделать вывод, что заявленное устройство для адаптивного временного профилирования ультракоротких лазерных импульсов акустооптическим методом, приведенное на Фиг. 1, может генерировать и регистрировать профилированные оптические тестовые сигналы с исключительно высоким собственным временным разрешением порядка единиц пикосекунд, что позволяет по сравнению с электрооптическим методом формировать временные профили оптических импульсов с разрешением, превышающим разрешение электрооптических систем на порядок.

Claims (9)

1. Устройство для адаптивного временного профилирования ультракоротких лазерных импульсов, содержащее лазерный задающий осциллятор, генерирующий последовательность ультракоротких импульсов, акустооптическую дисперсионную линию на основе кристалла с анизотропным типом акустооптического взаимодействия, осуществляющую формирование лазерного профилированного импульса посредством дифракции входного чирпированного лазерного импульса при произвольной амплитудной и фазовой модуляции его частотного спектра за время нестационарного акустооптического взаимодействия, ВЧ-генератор сигналов произвольной формы, ВЧ-усилитель, стретчер, установленный после лазерного осциллятора перед акустооптической дисперсионной линией задержки, обеспечивающий чирпирование во времени по линейному закону лазерного импульса и тем самым устанавливающий взаимно-однозначное соответствие между значением оптической частоты произвольной спектральной компоненты чирпированного импульса и временем пересечения данной спектральной компонентой координаты ЛЧМ ультразвуковой дифракционной решетки с амплитудной и фазовой модуляцией, устройство регистрации временного профиля лазерного импульса, содержащее последовательно расположенные пикосекундную стрик-камеру и цифровую камеру, электронную систему синхронизации ВЧ-генератора и стрик-камеры с лазерным задающим осциллятором, разветвитель оптического пучка, в котором часть дифрагировавшего в акустооптической дисперсионной линии излучения направляется на устройство регистрации, а часть излучения является выходным, так что при пространственном совпадении координаты оптической спектральной компоненты с областью брэгговского синхронизма в кристалле происходит дифракция данной спектральной компоненты оптического лазерного импульса, определяющая его мгновенную мощность, при этом ВЧ-усилитель подает на пьезопреобразователь дисперсионной линии управляющий сигнал от ВЧ-генератора сигналов произвольной формы, который адаптивно формирует в кристалле ЛЧМ ультразвуковую дифракционную решетку с амплитудной и фазовой модуляцией таким образом, чтобы обеспечить необходимый временной профиль дифрагировавшего лазерного импульса, а измеренная устройством регистрации форма импульса используется в цепи цифровой обратной связи для коррекции сигнала ВЧ-генератора.

2. Устройство по п. 1, в котором акустооптическая дисперсионная линия квазиколлинеарной геометрии изготавливается из оптически анизотропного кристалла с химическим составом, в котором реализуется квазиколлинеарная геометрия акустооптического взаимодействия, например, парателлурит, кварц, дигидрофосфат калия, ниобат лития, кристаллы семейства калий-редкоземельных вольфраматов.

3. Устройство по п. 1, в котором акустооптическая дисперсионная линия коллинеарной геометрии изготавливается из оптически анизотропного кристалла с химическим составом, в котором реализуется коллинеарная геометрия акустооптического взаимодействия, например, кварц, ниобат лития, молибдат кальция, кристаллы семейства калий-редкоземельных вольфраматов.

4. Устройство по п. 1, в котором акустооптическая дисперсионная линия неколлинеарной геометрии изготавливается из оптически анизотропного кристалла с химическим составом, в котором реализуется неколлинеарная геометрия акустооптического взаимодействия, например, парателлурит, кварц, дигидрофосфат калия, ниобат лития, кристаллы семейства калий-редкоземельных вольфраматов, при этом в конструкции дисперсионной линии могут дополнительно использоваться дифракционные решетки.

5. Устройство по п. 1, в котором акустооптическая дисперсионная линия осуществляет формирование временных профилей вида Σrect(a_nt-b_n)

6. Устройство по п. 1, в котором лазерный задающий осциллятор генерирует фемтосекундные импульсы, а стретчер обеспечивает чирпирование во времени по линейному закону лазерного импульса задающего осциллятора до субнаносекундного диапазона длительности.

7. Устройство по п. 1, в котором лазерный задающий осциллятор генерирует пикосекундные импульсы, а стретчер обеспечивает чирпирование во времени по линейному закону лазерного импульса задающего осциллятора до наносекундного диапазона длительности.

8. Устройство по п. 1, в котором в качестве разветвителя оптического пучка используется светоделитель, а регистрация профилированного импульса и его подача на выход устройства профилирования осуществляются одновременно.

9. Устройство по п. 1, в котором в качестве разветвителя оптического пучка используется переключатель, а регистрация профилированного импульса и его подача на выход устройства профилирования осуществляются последовательно.

Images