Auswahl von Pulsen in Ultrafast Titan-Saphir-Regenerationsverstärkern unter Verwendung eines Coherent Faraday-Rotators

1 Auswahl hochenergetischer Pulse aus Ultrafast Regenerationsverstärkern

Um den Ausgang vom Eingang zu trennen, ist eine spezielle Optik erforderlich. . . .

Titan-dotierte Saphir-Kristalle (Titan-Saphir) werden häufig für die am kürzesten gepulsten Ultrafast-Lasersysteme verwendet, die Pulse bis zu einigen Femtosekunden (fs) erzeugen. Der sehr breite Wellenlängenbereich von Titan-Saphir reicht von ca. 650–1100 nm, obwohl die meisten Systeme bei einer Wellenlänge von ca. 800 nm arbeiten, um maximale Laserverstärkung und Effizienz zu erreichen. Zusätzliche Eigenschaften – einschließlich der ausgezeichneten Wärmeleitfähigkeit und der Möglichkeit, relativ leicht zugängliche Pumpwellenlängen zu verwenden – machen Titan-Saphir als Verstärkermedium sowohl in Oszillatoren als auch in Verstärkern nützlich und ermöglichen den Zugang zu einem breiten Spektrum an möglichen Pulsenergien. Im Niedrigenergiebereich bieten Ultrafast-Oszillatoren die höchsten Wiederholraten (typischerweise Megahertz und mehr), sind aber auf den Nanojoule-Bereich (nJ) begrenzt.

Durch das Hinzufügen von Single-Pass-Verstärkern zu einer Ultrafast Oszillator-Seed-Quelle, z. B. mit einem Chirped Pulse Amplification (CPA)-Design, können Pulsenergien von Mikrojoule (μJ) bei 10s bis 100s Kilohertz erreicht werden. Es gibt jedoch viele wissenschaftliche und einige industrielle Anwendungen, die Millijoule (mJ) benötigen. Um die Energie von Ultrafast-Lasersystemen zu erhöhen, werden Mehrpass-Verstärker verwendet.

Ein spezieller Typ von Mehrpass-Verstärkern, ein regenerativer Verstärker (siehe Abbildung 1), umfasst mehrere Durchläufe durch ein Verstärkungsmedium, das sich in einem optischen Resonator befindet, der einen optischen Schalter enthält, der die Anzahl der Durchläufe steuert und eine sehr hohe Gesamtverstärkung ermöglicht. Ein Schlüssel zur Funktionsweise eines regenerativen Verstärkers ist die Fähigkeit, Pulse auszuwählen, nachdem sie auf den Zielwert verstärkt wurden.

Um dieses Ziel der Pulsselektion zu erreichen, ist es notwendig, eine Optik zu verwenden, die für die Polarisationsdrehung in Vorwärts- und Rückwärtsrichtung nicht reziprok ist. Ein optischer Faraday-Rotator kann diese Aufgabe erfüllen.

2 Auswahl der Polarisation mit Hilfe eines Faraday-Rotators

Ein Faraday-Rotator ist ein passives optisches Gerät, das aus einem magneto-optischen Material mit besonderen Eigenschaften besteht. Die Funktionsweise besteht darin, dass die Ebene des polarisierten Lichts um 45° in Vorwärtsrichtung und um weitere 45° in umgekehrter Richtung gedreht wird, wobei die lineare Polarisation des Lichts erhalten bleibt. In Verbindung mit einer polarisierten Optik kann ein Faraday-Rotator verwendet werden, um Licht in einen Resonator zu leiten und es dann in den Ausgangspfad zu schicken, wenn der Polarisationszustand umgeschaltet wurde. Die Coherent-Faraday-Rotatoren und -Isolatoren enthalten Optiken mit niedriger Absorption und hoher Zerstörschwelle und eignen sich ideal für den Einsatz mit einer durchschnittlichen Leistung von bis zu 50 W für Ultrafast Lasersysteme.

Bei der Auswahl eines Faraday-Rotators gibt es mehrere Kriterien zu beachten: die Größe des einfallenden Strahls, die einfallende optische Leistung und Energie auf dem Rotator und die erforderliche übertragene Leistung für die nächste Stufe.

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3 Installieren eines Faraday-Rotators

Der Einbau eines Faraday-Rotators in den optischen Pfad eines regenerativen Verstärkersystems ist relativ einfach. Jedem Coherent Faraday-Rotator liegt ein Benutzerhandbuchⁱ bei, in dem beschrieben wird, wie Sie das Gerät im Strahlengang ausrichten. Die Parameter-Größe des optischen Strahls, optische Leistung, zentrale Wellenlänge und Bandbreite müssen bei der Auswahl des geeigneten Rotators berücksichtigt werden. Unsere Produkte werden nach den anspruchsvollen Spezifikationen des ausgewählten Modells gebaut. In Abbildung 1 sehen Sie ein Beispiel dafür, wo ein Faraday-Rotator in einem regenerativen Verstärkersystem installiert werden kann. Ein Beispiel für eine Anwendung aus der Praxis finden Sie in Referenz 2ⁱⁱ.

4 Überlegungen zum Thema Streuung

Dispersion ist ein wichtiges Thema für Ultrafast-Laser. Sie kann die Pulsdauer und damit die Spitzenleistung von ultrakurzen Pulsen beeinflussen. Dispersion tritt auf, wenn sich Lichtpulse in einem Medium bewegen, in dem die Phasengeschwindigkeit von der Frequenz (oder Wellenlänge) abhängt. Das Material, aus dem ein Faraday-Rotator besteht, ist dispersiv. Daher können sich Pulse, die dieses Gerät durchlaufen, in ihrer Länge verbreitern, obwohl das Ausmaß und die Bedeutung dieses Effekts sowohl vom ursprünglichen Puls als auch von der Anwendung abhängen.

Im Allgemeinen erzeugen regenerative Titan-Saphir-Verstärkersysteme Pulse in der Größenordnung von 20 fs oder längerⁱⁱ, mit einer optischen Bandbreite im Bereich von 30–40 nm oder mehr. Die tatsächliche Bandbreite des Systems und die Länge des Faraday-Rotators, der in dem System verwendet wird, bestimmen das Ausmaß der Pulsverbreiterung, die auftritt, wenn die Pulse das Gerät durchlaufen. Andere Optiken im System können in der Tat eine größere chromatische Dispersion verursachen als der Faraday-Rotator, und der Gesamtbetrag der Dispersion der Optikkette, insbesondere der Schaltoptik der Pockelszelle, muss sorgfältig kompensiert werden.

Ein Beispiel dafür, wie ein Faraday-Rotator mit 8 mm Terbium-Gallium-Granat (TGG) die Pulsdauer von ~ 800 nm ultrakurzen Pulsen im Bereich von 10–10.000 fs beeinflussen kann, ist in Abbildung 2 dargestellt. Das Diagramm wurde erstellt, indem ermittelt wurde, wie stark die Gruppengeschwindigkeitsdispersion (GVD) bei 800-nm-Pulsen ist. Dies geschah unter Verwendung der Sellmeier-Gleichung für TGGiii,

Durch analytisches Lösen der 2. Ableitung des Brechungsindex ist es möglich, die GVD und dann die tatsächliche Dispersion zweiter Ordnung für ein bestimmtes Gerät zu berechnen (hier bezeichnet als β₂, die Gruppenlaufzeitdispersion zweiter Ordnung), die mit der GVD in Beziehung steht, indem die GVD mit der Länge des Materials multipliziert wird – in diesem Fall mit der im Rotator verwendeten TGG. Diese Information kann wiederum verwendet werden, um die Dauer des Ausgangspulses für eine gegebene Dauer des Eingangspulses zu berechnen, nachdem er die Länge des TGG-Rotatormaterials durchlaufen hat. Für den Fall, dass die quadrierte Länge des Eingangspulses, t₀ ²  viel kleiner als β₂ ist, kann eine Gleichung verwendet werden, die die Pulsverbreiterung proportional zu β₂ ausdrückt^v.

Die Berechnungen ergaben, dass die Dispersion β₂ im Bereich von 800 nm für 8 mm lange TGG ~ 1500 fs² beträgt. Die geschätzte Verbreiterung durch diese Menge an Dispersion zweiter Ordnung für Pulse im Bereich von 10–10.000 fs ist in der folgenden Grafik dargestellt. Beachten Sie, dass bei Pulsen > 75 fs die Pulsverbreiterung kein Problem darstellt. Bei vielen regenerativen Verstärkersystemen muss jedoch die Dispersion des TGG im Faraday-Rotator im Dispersionskompensationsschema berücksichtigt werden, um möglichst kurze Pulse zu erzielen.

5 Schlussfolgerungen

Bei der Entwicklung von Ultrafast-Lasersystemen mit regenerativen Verstärkern ist die Verwendung eines Faraday-Rotators der Schlüssel zu deren Betrieb. Die Verwendung eines Coherent Faraday-Rotators in Ihrem Lasersystem kann Ihnen helfen, die angestrebte Leistung zu erreichen.

Setzen Sie sich mit uns in Verbindung, wenn Sie mehr darüber erfahren möchten, wie Sie die Faraday-Rotatoren von Coherent in Ihren Ultrafast-Faserlasersystemen einsetzen können.

Referenzen:

i Coherent Benutzerhandbuch für Faraday-Rotatoren und Isolatoren

ii C. Barty, T. Guo, C. Le Blanc, F. Raksi, C. Rose-Petruck, J. Squier, A.Tian, K. Wilson, V.Yakovlev, and K. Yamakawa, ”Generation of 18-fs, multiterawatt pulses by regenerative pulse shaping and chirped-pulse amplification”, Opt. Lett. vol. 21, 668 (1996).

iii U. Schlarb and B. Sugg, “Refractive Index of Terbium Gallium Garnet”, Phys. Stat. Sol. (b) 182 K91 (1994)

iv Als Quelle siehe „Nonlinear Fiber Optics” von G. P. Agrawal für weitere Details zur Gruppengeschwindigkeitsdispersion

v. Siehe den Abschnitt über „ispersive Pulse Broadening and Chirping“ unter: http://www.rp-photonics.com/chromatic_dispersion.html