Dla student�w &ndash O oscylatorach femtosekundowych

Podstawowym narz�dziem u�ywanym w Laboratorium Proces�w Ultraszybkich s� lasery femtosekundowe, w kt�rych o�rodkiem aktywnym jest kryszta� szafiru domieszkowany tytanem (Ti:Al₂O₃). Posiada on stosunkowo szerokie pasmo absorpcji w obszarze zielono-niebieskim &ndash mo�na go pompowa� laserem argonowym (obecnie rzadko u�ywanym ze wzgl�du na du�e wymiary, ma�� sprawno�� i marn� jakos� przestrzenn� wi�zki) albo laserami neodymowymi (Nd:YAG, Nd:YVO) z przetwarzaniem na drug� harmoniczn� (532 nm). U�ywane przez nas obecnie lasery szafirowe pompowane s� laserami Nd:YVO pracy ci�g�ej (Verdi V-5 firmy Coherent) o mocy maksymalnej 5 W. Pasmo emisji szafiru jest niezwykle szerokie i rozci�ga si� w obszarze spektralnym 650 &ndash 1100 nm z maksimum w okolicach 800 nm (tu� poza granic� obszaru widzialnego). Tak szerokie pasmo pozwala na generacj� impuls�w kr�tszych ni� 5 fs (5⋅10^-15 s), przy czym nasze lasery daj� typowo 20-50 fs – ograniczeniem jest pasmo odbicia luster oraz to, jak dobrze umiemy skompensowa� dyspersj� wprowadzan� przez elementy wn�ki lasera (g��wnie kryszta�).
Schemat typowego lasera szafirowego (nazywanego te� oscylatorem femtosekundowym) przedstawia rysunek 1. Poza spotykanymi w ka�dym laserze elementami &ndash o�rodkiem wzmacniaj�cym (kryszta� Ti:Al₂O₃, typowo o grubo�ci 2-20 mm) i lustrami tworz�cymi wn�k� rezonatora, charakterystyczna jest obecno�� linii dyspersyjnej zbudowanej z dw�ch pryzmat�w P1 i P2 (najcz�ciej kwarcowych lub z lekkiego szk�a, np. SF10) wprowadzaj�cej faz� kompensuj�c� dyspersj� pozosta�ych element�w (kryszta�u, luster, powietrza). W nowych konstrukcjach linia dyspersyjna b�dzie zast�piona lustrami z ujemn�, kontrolowan� dyspersj� (chirped mirrors).

Jak to si� dzieje, �e oscylator femtosekundowy, pompowany wszak laserem pracy ci�g�ej, pracuje w trybie impulsowym i to w dodatku niejako „sam z siebie”? Odpowiedzialne jest za to zjawisko pasywnej synchronizacji mod�w lasera. Synchronizacja mod�w oznacza, �e wiele mod�w pod�u�nych wn�ki rezonansowej (w naszym przypadku kilka-kilkana�cie tysi�cy mod�w) oscyluje w fazie. Ka�dy, kto kiedykolwiek dodawa� kilka funkcji periodycznych typu sinus o r�nych cz�sto�ciach m�g� �atwo zauwa�y�, �e przy ustalonej fazie mi�dzy sk�adnikami, suma taka ma posta� ostrych maksim�w (tym w�szych, im wi�cej sk�adnik�w sumy). Synchronizacj� mod�w najpro�ciej mo�na osi�gn�� tak projektuj�c laser, by straty (wzmocnienie) mala�y (ros�o) wraz ze wzrostem mocy chwilowej we wn�ce rezonansowej. W naszych konstrukcjach pos�ugujemy si� tzw. tward� albo mi�kka apertur�. Pierwsza z nich to szczelina SL umieszczona najcz�ciej w pobli�u lustra wyj�ciowego (patrz rysunek 1), druga to obszar napompowany wyznaczony przez kszta�t wi�zki pompuj�cej w krysztale laserowym. Ide� strat malej�cych z nat�eniem �wiat�a przedstawia rysunek 2.

Dla pracy ci�g�ej �rednia moc promieniowania w rezonatorze jest niewielka i mod lasera wyznaczony jest przez po�o�enia i promienie krzywizny luster rezonatora oraz geometri� kryszta�u. Dla pracy impulsowej (zaczynaj�cej si� od przypadkowej fluktuacji nat�enia albo poruszenia jednym z pryzmat�w linii dyspersyjnej), nat�enie �wiat�a dramatycznie ro�nie i na skutek efektu Kerra (wsp�czynnik za�amania zale�y od nat�enia �wiat�a) kryszta� zaczyna dzia�a� jak soczewka, efektywnie zmieniaj�c rozmiar modu na przes�onie albo w samym krysztale, co prowadzi do zmniejszenia strat (mniej �wiat�a obcinane jest na szczelinie albo lepsze jest przekrywanie modu lasera i modu wi�zki pompuj�cej).

Typowe parametry lasera femtosekundowego Ti:Al₂O₃ zbudowanego i u�ywanego w LPU:

• moc wi�zki pompuj�cej – 4-5 W
• �rednia moc wyj�ciowa ci�gu impuls�w – 200-300 mW
• centralna d�ugo�� fali – 780-840 nm
• szeroko�� widma – 10-60 nm
• cz�sto�� repetycji – ok. 80 MHz
• czas trwania impulsu – 20-50 fs
• rozmiary (z laserem pompuj�cym) – ok. 30 × 150 × 20 cm