Призменный компрессор

редактировать

Рисунок 1. Призменный компрессор. Красные линии представляют собой лучи с большей длиной волны, а синие линии - с более короткой длиной волны. Расстояние между красной, зеленой и синей составляющими длины волны после компрессора нарисовано в масштабе. Эта установка имеет положительную дисперсию.

A призменный компрессор - это оптическое устройство, используемое для сокращения длительности положительно чирпированного ультракороткого лазерного импульса, давая другую длину волны составляет другую временную задержку. Обычно он состоит из двух призм и зеркала. На рисунке 1 показана конструкция такого компрессора. Хотя дисперсия материала призмы заставляет компоненты с разными длинами волн перемещаться по разным путям, компрессор устроен так, что все составляющие длины волны покидают компрессор в разное время, но в одном и том же направлении. Если компоненты с разными длинами волн импульса лазера уже были разделены во времени, призменный компрессор может заставить их перекрываться друг с другом, тем самым вызывая более короткий импульс.

Призменные компрессоры обычно используются для компенсации дисперсии внутри Ti: сапфирового лазера с синхронизацией мод. Каждый раз, когда лазерный импульс внутри проходит через оптические компоненты внутри лазерного резонатора, он растягивается. Призменный компрессор внутри полости может быть сконструирован таким образом, чтобы он точно компенсировал эту внутриполостную дисперсию. Его также можно использовать для компенсации дисперсии ультракоротких импульсов вне лазерных резонаторов.

Призматическое сжатие импульсов было впервые представлено с использованием одной призмы в 1983 году Dietel et al. и четырехпризменный импульсный компрессор был продемонстрирован в 1984 году Fork et al. Дополнительные экспериментальные разработки включают компрессор импульсов с парами призм и компрессор импульсов с шестью призмами для полупроводниковых лазеров. Теория дисперсии с множеством призм для сжатия импульсов была введена в 1982 г. Дуарте и Пайпер, распространена на вторые производные в 1987 г. и далее распространена на производные по фазе более высокого порядка в 2009 г.

Дополнительный компрессор, использующий большую призму с боковыми отражателями для обеспечения многопроходной конструкции на призме, был представлен в 2006 году.

Содержание

1 Принцип работы
- 1.1 Теория дисперсии
2 Сравнение с другими импульсными компрессорами
3 См. Также
4 Ссылки

Принцип работы

Рисунок 2. Геометрия призменного компрессора

Рисунок 3. Эффективная длина пути призменного компрессора с A = 100 мм, θ = 55 °, α = 10 °. Цвета соответствуют различным значениям B, где B = 67,6 мм означает, что луч почти не попадает на вершины обеих призм с показателем преломления 1,6. (Цвета не соответствуют цветам лучей на рисунке 1.)

Практически все оптические материалы, которые прозрачны для видимого света, имеют нормальную или положительную дисперсию: показатель преломления уменьшается с увеличением длины волны. Это означает, что более длинные волны проходят через эти материалы быстрее. То же самое верно и для призм в призменном компрессоре. Однако положительная дисперсия призм компенсируется дополнительным расстоянием, которое компоненты с большей длиной волны должны пройти через вторую призму. Это довольно тонкий баланс, так как более короткие волны проходят большее расстояние через воздух. Однако при тщательном выборе геометрии можно создать отрицательную дисперсию, которая может компенсировать положительную дисперсию от других оптических компонентов. Это показано на рисунке 3. При перемещении призмы P2 вверх и вниз дисперсия компрессора может быть как отрицательной в районе показателя преломления n = 1,6 (красная кривая), так и положительной (синяя кривая). Диапазон с отрицательной дисперсией относительно невелик, поскольку призму P2 можно переместить вверх только на небольшое расстояние, прежде чем световой луч полностью ее не пропустит.

В принципе, угол α можно изменять для настройки дисперсионных свойств призменного компрессора. Однако на практике геометрия выбирается так, чтобы падающий и преломленный пучки имели одинаковый угол на центральной длине волны сжимаемого спектра. Эта конфигурация известна как «угол минимального отклонения», и ее легче выровнять, чем произвольные углы.

Показатель преломления типичных материалов, таких как стекло BK7, изменяется лишь на небольшую величину (0,01 - 0,02) в пределах нескольких десятков нанометров, которые покрываются ультракоротким пульс. В пределах практического размера призменный компрессор может компенсировать только несколько сотен мкм разницы в длине пути между составляющими длины волны. Однако при использовании материала с большим показателем преломления (например, и т. Д.) Компенсационное расстояние можно увеличить до миллиметрового уровня. Эта технология успешно использовалась внутри фемтосекундного лазерного резонатора для компенсации кристалла титана: сапфира и снаружи для компенсации дисперсии, вносимой другими элементами. Однако дисперсия высокого порядка будет вноситься самим призменным компрессором, а также другими оптическими элементами. Его можно исправить путем тщательного измерения ультракороткого импульса и компенсации фазовых искажений. MIIPS - это один из методов формирования импульсов, который может автоматически измерять и компенсировать дисперсию высокого порядка. В качестве запутанной версии формирования импульса торцевое зеркало иногда наклоняется или даже деформируется, принимая во внимание, что лучи не проходят обратно по тому же пути или расходятся.

Теория дисперсии

Угловая дисперсия для обобщенных призматических решеток, применимая к сжатию лазерного импульса, может быть точно рассчитана с использованием теории дисперсии с несколькими призмами. В частности, дисперсия, ее первая производная и ее вторая производная определяются как

∇ n ϕ 2, m = H 2, m + (M - 1) (H 1, m ± ∇ n ϕ 2, ( m - 1)) {\ displaystyle \ nabla _ {n} \ phi _ {2, m} = H_ {2, m} + (M ^ {- 1}) {\ bigg (} H_ {1, m} \ pm \ nabla _ {n} \ phi _ {2, (m-1)} {\ bigg)}}

{\ displaystyle \ nabla _ {n} \ phi _ {2, m} = H_ {2, m} + (M ^ {-1}) {\ bigg (} H_ {1, m} \ pm \ nabla _ {n} \ phi _ {2, (m-1)} {\ bigg)}}

∇ n 2 ϕ 2, m = n H 2, m + (∇ n M - 1) (ЧАС 1, т ± ∇ N ϕ 2, (м - 1)) + (М - 1) (∇ N ЧАС 1, т ± ∇ N 2 ϕ 2, (м - 1)) {\ Displaystyle \ nabla _ { n} ^ {2} \ phi _ {2, m} = \ nabla _ {n} H_ {2, m} + (\ nabla _ {n} M ^ {- 1}) {\ bigg (} H_ {1, m} \ pm \ nabla _ {n} \ phi _ {2, (m-1)} {\ bigg)} + (M ^ {- 1}) {\ bigg (} \ nabla _ {n} H_ { 1, m} \ pm \ nabla _ {n} ^ {2} \ phi _ {2, (m-1)} {\ bigg)}}

{\ displaystyle \ nabla _ {n} ^ {2} \ phi _ {2, m} = \ nabla _ {n} H_ {2, m} + (\ nabla _ {n} M ^ {- 1}) {\ bigg (} H_ {1, m} \ pm \ nabla _ {n} \ phi _ {2, (m-1)} {\ bigg)} + (M ^ {- 1}) {\ bigg (} \ nabla _ {n} H_ {1, m} \ pm \ nabla _ {n} ^ { 2} \ phi _ {2, (m-1)} {\ bigg)}}

∇ n 3 ϕ 2, m = ∇ n 2 H 2, m + (∇ n 2 M - 1) (H 1, m ± ∇ n ϕ 2, (m - 1)) + 2 (∇ n M - 1) (∇ n H 1, m ± ∇ n 2 ϕ 2, (м - 1)) + (М - 1) (∇ N 2 ЧАС 1, м ± ∇ N 3 ϕ 2, (м - 1)) {\ Displaystyle \ набла _ {п} ^ {3} \ phi _ {2, m} = \ nabla _ {n} ^ {2} H_ {2, m} + (\ nabla _ {n} ^ {2} M ^ {- 1}) {\ bigg (} H_ {1, m} \ pm \ nabla _ {n} \ phi _ {2, (m-1)} {\ bigg)} + 2 (\ nabla _ {n} M ^ {- 1}) {\ bigg (} \ nabla _ {n} H_ {1, m} \ pm \ nabla _ {n} ^ {2} \ phi _ {2, (m-1)} {\ bigg)} + (M ^ {- 1}) { \ bigg (} \ nabla _ {n} ^ {2} H_ {1, m} \ pm \ nabla _ {n} ^ {3} \ phi _ {2, (m-1)} {\ bigg)}}

{\ displaystyle \ nabla _ {n} ^ {3} \ phi _ {2, m} = \ nabla _ {n} ^ {2} H_ {2, m} + (\ nabla _ {n} ^ {2} M ^ {- 1}) {\ bigg (} H_ {1, m} \ pm \ nabla _ {n} \ phi _ {2, (m-1)} {\ bigg) } +2 (\ nabla _ {n} M ^ {- 1}) {\ bigg (} \ nabla _ {n} H_ {1, m} \ pm \ nabla _ {n} ^ {2} \ phi _ { 2, (m-1)} {\ bigg)} + (M ^ {- 1}) {\ bigg (} \ nabla _ {n} ^ {2} H_ {1, m} \ pm \ nabla _ {n } ^ {3} \ phi _ {2, (m-1)} {\ bigg)}}

где

∇ N = ∂ / ∂ N {\ displaystyle \ nabla _ {n} = \ partial / \ partial n}

{\ displaystyle \ nabla _ {n} = \ partial / \ partial n}

M = k 1, mk 2, m {\ displaystyle \, M = k_ {1, m} k_ {2, m}}

{\ displaystyle \, M = k_ {1, m} k_ {2, m}}

k 1, m = cos ⁡ ψ 1, m / cos ⁡ ϕ 1, m {\ displaystyle \, k_ {1, m} = \ cos \ psi _ {1, m} / \ cos \ phi _ {1, m}}

{\ displaystyle \, k_ {1, m} = \ cos \ psi _ {1, m} / \ cos \ phi _ {1, m}}

k 2, m = cos ⁡ ϕ 2, m / cos ⁡ ψ 2, m {\ displaystyle \, k_ {2, m} знак равно \ соз \ phi _ {2, m} / \ соз \ psi _ {2, m}}

{\ displaystyle \, k_ {2, m} = \ cos \ phi _ {2, m} / \ cos \ psi _ {2, m}}

H 1, m = (tan ⁡ ϕ 1, m) / нм {\ displaystyle \, H_ {1, m} = (\ tan \ phi _ {1, m}) / n_ {m}}

{\ displaystyle \, H_ {1, m} = (\ tan \ phi _ {1, m}) / n_ {m }}

H 2, m = (tan ⁡ ϕ 2, m) / nm {\ displaystyle \, H_ {2, m} = (\ tan \ phi _ {2, m}) / n_ {m}}

{\ displaystyle \, H_ {2, m} = (\ загар \ phi _ {2, m}) / n_ {m}}

. Угловые величины определены в статье для теории дисперсии с несколькими призмами, а производные более высокого порядка даны как Duarte.

Сравнение с другими компрессорами импульсов

Наиболее распространенный другой компрессор импульсов основан на решетках (см. усиление чирпированных импульсов ), которые легко можно c создает гораздо большую отрицательную дисперсию, чем призменный компрессор (сантиметры, а не десятые доли миллиметра). Однако решетчатый компрессор имеет потери не менее 30% из-за потерь более высокого порядка дифракции и поглощения в металлическом покрытии решеток. Призменный компрессор с подходящим антиотражающим покрытием может иметь потери менее 2%, что делает его приемлемым вариантом внутри лазерного резонатора. Кроме того, призменный компрессор дешевле решетчатого.

В другом методе сжатия импульсов используются чирпированные зеркала, которые представляют собой диэлектрические зеркала, сконструированные таким образом, что отражение имеет отрицательную дисперсию. Чирпированные зеркала сложно изготовить; кроме того, величина дисперсии довольно мала, а это означает, что лазерный луч должен отражаться несколько раз, чтобы достичь такой же величины дисперсии, как и при использовании компрессора с одной призмой. Это означает, что его сложно настроить. С другой стороны, компрессор с чирпированным зеркалом может иметь определенную кривую дисперсии, тогда как призменный компрессор предлагает гораздо меньшую свободу. Компрессоры с чирпированным зеркалом используются в приложениях, где необходимо сжимать импульсы с очень большой полосой пропускания.

См. Также