Dla studentów &ndash O oscylatorach femtosekundowych

Podstawowym narzędziem używanym w Laboratorium Procesów Ultraszybkich są lasery femtosekundowe, w których ośrodkiem aktywnym jest kryształ szafiru domieszkowany tytanem (Ti:Al₂O₃). Posiada on stosunkowo szerokie pasmo absorpcji w obszarze zielono-niebieskim &ndash można go pompować laserem argonowym (obecnie rzadko używanym ze względu na duże wymiary, małą sprawność i marną jakosć przestrzenną wiązki) albo laserami neodymowymi (Nd:YAG, Nd:YVO) z przetwarzaniem na drugą harmoniczną (532 nm). Używane przez nas obecnie lasery szafirowe pompowane są laserami Nd:YVO pracy ciągłej (Verdi V-5 firmy Coherent) o mocy maksymalnej 5 W. Pasmo emisji szafiru jest niezwykle szerokie i rozciąga się w obszarze spektralnym 650 &ndash 1100 nm z maksimum w okolicach 800 nm (tuż poza granicą obszaru widzialnego). Tak szerokie pasmo pozwala na generację impulsów krótszych niż 5 fs (5⋅10^-15 s), przy czym nasze lasery dają typowo 20-50 fs – ograniczeniem jest pasmo odbicia luster oraz to, jak dobrze umiemy skompensować dyspersję wprowadzaną przez elementy wnęki lasera (głównie kryształ).
Schemat typowego lasera szafirowego (nazywanego też oscylatorem femtosekundowym) przedstawia rysunek 1. Poza spotykanymi w każdym laserze elementami &ndash ośrodkiem wzmacniającym (kryształ Ti:Al₂O₃, typowo o grubości 2-20 mm) i lustrami tworzącymi wnękę rezonatora, charakterystyczna jest obecność linii dyspersyjnej zbudowanej z dwóch pryzmatów P1 i P2 (najczęściej kwarcowych lub z lekkiego szkła, np. SF10) wprowadzającej fazę kompensującą dyspersję pozostałych elementów (kryształu, luster, powietrza). W nowych konstrukcjach linia dyspersyjna będzie zastąpiona lustrami z ujemną, kontrolowaną dyspersją (chirped mirrors).

Jak to się dzieje, że oscylator femtosekundowy, pompowany wszak laserem pracy ciągłej, pracuje w trybie impulsowym i to w dodatku niejako „sam z siebie”? Odpowiedzialne jest za to zjawisko pasywnej synchronizacji modów lasera. Synchronizacja modów oznacza, że wiele modów podłużnych wnęki rezonansowej (w naszym przypadku kilka-kilkanaście tysięcy modów) oscyluje w fazie. Każdy, kto kiedykolwiek dodawał kilka funkcji periodycznych typu sinus o różnych częstościach mógł łatwo zauważyć, że przy ustalonej fazie między składnikami, suma taka ma postać ostrych maksimów (tym węższych, im więcej składników sumy). Synchronizację modów najprościej można osiągnąć tak projektując laser, by straty (wzmocnienie) malały (rosło) wraz ze wzrostem mocy chwilowej we wnęce rezonansowej. W naszych konstrukcjach posługujemy się tzw. twardą albo miękka aperturą. Pierwsza z nich to szczelina SL umieszczona najczęściej w pobliżu lustra wyjściowego (patrz rysunek 1), druga to obszar napompowany wyznaczony przez kształt wiązki pompującej w krysztale laserowym. Ideę strat malejących z natężeniem światła przedstawia rysunek 2.

Dla pracy ciągłej średnia moc promieniowania w rezonatorze jest niewielka i mod lasera wyznaczony jest przez położenia i promienie krzywizny luster rezonatora oraz geometrię kryształu. Dla pracy impulsowej (zaczynającej się od przypadkowej fluktuacji natężenia albo poruszenia jednym z pryzmatów linii dyspersyjnej), natężenie światła dramatycznie rośnie i na skutek efektu Kerra (współczynnik załamania zależy od natężenia światła) kryształ zaczyna działać jak soczewka, efektywnie zmieniając rozmiar modu na przesłonie albo w samym krysztale, co prowadzi do zmniejszenia strat (mniej światła obcinane jest na szczelinie albo lepsze jest przekrywanie modu lasera i modu wiązki pompującej).

Typowe parametry lasera femtosekundowego Ti:Al₂O₃ zbudowanego i używanego w LPU:

• moc wiązki pompującej – 4-5 W
• średnia moc wyjściowa ciągu impulsów – 200-300 mW
• centralna długość fali – 780-840 nm
• szerokość widma – 10-60 nm
• częstość repetycji – ok. 80 MHz
• czas trwania impulsu – 20-50 fs
• rozmiary (z laserem pompującym) – ok. 30 × 150 × 20 cm