Фемтосекундный лазерный комплекс на основе двух синхронизированных лазеров Mira Optima 900-D (Coherent).

femto

 

В тех случаях, когда исследования требуют временного разрешения в пико- и фемтосекундном диапазоне, обычные электронные средства регистрации не могут обеспечить столь быстрого отклика. Для этих задач была развита техника (pump-probe), использующая быструю накачку (или опустошение) исследуемого состояния импульсами фемто- пикосекундных лазеров с синхронизацией мод и зондирование этого состояния синхронизованным во времени лазерным импульсом с контролируемой задержкой. Задержка с фемто- пикосекундной точностью производится изменением путей распространения накачивающего и зондирующего импульсов. Существуют различные варианты этой техники - абсорбционнные, флюоресцентные, фотоионизационные, их комбинации.

Для исследовательских работ по: фемтосекундной спектроскопии методами накачки-зондирования, фотохимии и биохимии быстропротекающих процессов, нелинейно-оптическим процессам в конденсированных средах и на поверхностях, двухквантовой фотофизики и фоотохимии, синтезу и структурированию новых материалов, генерации суперконтнуума в фотоннокристаллических материалах и применении его в метрологии и спектроскопии, нелинейным процессам в комбинационном рассеянии и в других исследованиях, методики которых требуют применения перестраиваемых в широком спектральном диапазоне ультракоротких световых импульсов, предназначен лазерный комплекс, состоящий из двух идентичных линий, способных работать в как в фемто-, так и в пикосекундном режиме независимо друг от друга и в режиме взаимной или внешней синхронизации. Комплекс размещен на виброизолированной платформе в ламинарной зоне в помещении 102.

 

В состав каждой линии входят:

Фемтосекундный/ пикосекундный лазер на титан-сапфире Mira Optima 900-D фирмы “Coherent”, работающий по принципу пассивной синхронизации мод в системе с наведенной Керровской линзой в активной среде и щелью, вносящей потери для постоянной генерации. Разработчики фирмы “Coherent” рассматривают такую систему как разновидность насыщающегося поглотителя. Схема резонатора изображена на рис.1.

femto0

Рисунок 1 Схема резонатора лазера Mira Optima 900-D

Перестройка из фемто- в пикосекундный режим производится при выведении из резонатора призмы компенсатора групповой скорости P1 и замене двулучепремляющего фильтра Лио BRF.

Перестройка длины волны производится поворотом фильтра Лио. Перестроечные кривые для фемто- и пикосекундного режимов показаны на рис.2.

femto1

Рисунок 2 – Перестроечные кривые лазера Mira Optima 900-D

Для накачки Mira Optima 900-D используются 10-и Ваттные одночастотные кольцевые лазеры Verdi V10 фирмы“Coherent” с диодной накачкой допированного неодимом ванадата иттрия и внутрирезонаторным удвоением на термостатированном кристалле трибората лития.

Основные характеристики лазеров Verdi V10:

Длина волны 532 нм

Выходная мощность – не менее 10 Вт

Ширина линии кратковременная (50 мс) не более 5 МГц.

Диаметр пучка –2.25 мм ±10% (по уровню 1/е на расстоянии 0,5м от выхода.

Расходимость пучка, полный угол – не более 0.5 мрад.

Параметр качества пучка М² не более 1.1.

Угловая температурная стабильность пучка от 25°С до 35°С – не более 2 мкрад/°С.

Флуктуации мощности пучка – не более ±1% от уровня излучаемой мощности (за 2 часа).

Шум в диапазоне 10 Гц – 1 ГГц (rms) – не более 0.03% от уровня излучаемой мощности.

Поляризация излучения – вертикальная >100:1.

Информация на сайте производителя

При накачке высокостабильными лазерами Verdi титан-сапфировые лазеры Mira Optima 900-D обеспечивают одномодовую (ТЕМ00) генерацию фемтосекундных импульсов с длительностью не более 200 фс или пикосекундных импульсов с длительностью не более 3 пс при частоте повторения 76 МГц и следующие параметры излучения:

Флуктуации мощности пучка – не более ±3% от уровня излучаемой мощности.

Шум в диапазоне 10 Гц – 20 МГц (rms) не более 0,1% от уровня излучаемой мощности.

Диаметр пучка –0.8±0.2 мм (по уровню 1/е на выходе).

Расходимость пучка, полный угол – 1.7±0.3 мрад.

Параметр качества пучка М² не более 1.1.

Поляризация излучения горизонтальная.

Информация на сайте производителя

Для разреживания частоты следования импульсов фемтосекундных лазеров Mira Optima 900-D применяется Брегговский акусто-оптический модулятор, разработанный фирмой A P E Angewandte Physik & Elektronik GmbH для лазеров с синхронизацией мод по внутрирезонаторной технологии pulseSwitch, что, в отличие от обычных внерезонаторных разреживателей, повышает мощность импульса в несколько раз, существенно повышая эффективность генерации гармоник.

Информация на сайте производителя

Информация на сайте производителя

Перестроечная кривая разреживателя pulseSwitch приведена на рисунке 3. При необходимости модулятор может использоваться и как внерезонаторный (режим pulse picker).

femto2

Рисунок 3 – Перестроечная кривая генерации Mira Optima 900-D в фемтосекундном режиме с акустооптическим разреживателем pulseSwitch

Эффективность накопления мощности импульса на высоких частотах снижается. Эта зависимость показана на рисунке 4. Диапазон частот повторения импульсов для фемтосекундной конфигурации 200 Гц - 9 МГц, для пикосекундной конфигурации 200 Гц - 4 МГц. Имеется возможность генерации единичного импульса по внешнему триггеру.

femto3

Рисунок 4 – Частотные зависимости эффективности разреживателя импульсов по технологии pulseSwitch в фемто- и пикосекундом режимах

Дисперсионное сжатие импульсов фемтосекундных лазеров по длительности производится призменными компрессорами Mira SPO-I фирмы “Coherent”, которые обеспечивают длительность импульса излучения на выходе – не более 70 фс в рабочем диапазоне длин волн (рис.5).

femto4

Рисунок 5 – Автокорреляционная функция импульса Mira Optima 900-D в фемтосекундном режиме после дополнительного сжатия компрессором Mira SPO-I

Два лазера Mira Optima 900-D можно синхронизовать с помощью устройства Synchrolock-AP фирмы “Coherent” в режиме «Master-Slave», причем как «Master» может работать внешний генератор на частоте близкой к частоте лазерных резонаторов. Синхронизованные последовательности импульсов в двух каналах можно смещать по времени в пределах периода их следования - 13 нс с точностью 22 фс. Картина, отражающая дрожание временной привязки синхронизованных лазеров приведена на рисунке 6.

femto5

Рисунок 6 – Кратковременный джиттер импульсов в двух синхронизованных каналах

Информация на сайте производителя

Преобразователи излучения лазеров Mira Optima 900-D на нелинейных оптических кристаллах обеспечивают удвоение частоты входного излучения в диапазоне длин волн 680 - 1080 нм с эффективностью преобразования во вторую гармонику для фемтосекундной конфигурации не менее 40% от мощности входного импульса, а для пикосекундной конфигурации – не менее 15% мощности.

Информация на сайте производителя

В целях расширения диапазона перестраиваемого по спектру лазерного излучения для осцилляторов Mira Optima 900-D фирмой A P E Angewandte Physik & Elektronik GmbH разработан параметрический генератор Mira-OPO Model VIS S1 (PP-Automatic), который позволяет продлить спектральный диапазон генерации в ИК область до 1600 нм и перекрыть участок в видимом диапазоне спектра 540-680 нм.

Параметрический генератор является синхронно накачиваемым резонатором с нелинейным кристаллом, на котором импульс волны накачки (титан-сапфирового лазера) преобразуется в две волны меньших частот – сигнальную (signal) и холостую (idler). При этом для сигнальной волны должно обеспечиваться время обхода резонатора, равное периоду следования импульсов накачки. Преобразование происходит на периодически поляризованном кристалле, обеспечивающем фазовый квазисинхронизм в широком спектральном диапазоне. В этом же устройстве происходит преобразование сигнальной волны в ее вторую гармонику. Для эффективной генерации излучения второй гармоники сигнальной волны резонатор закольцовывается. Перестроечная кривая показана на рис.7. Модификации Mira-OPO Model VIS S1 с накачкой от титан-сапфирового лазера Mira Optima 900-D, накачиваемого лазером Verdi V10, соответствует сплошная синяя кривая. В данной конфигурации выход холостой (idler) волны (длина волны около 3 мкм) не предусмотрен, но опционально возможен.

femto6

Рисунок 7 – Перестроечные кривые для сигнальной волны (справа) и ее второй гармоники (слева) параметрического генератора Mira-OPO Model VIS S1

Информация на сайте производителя

Информация на сайте производителя

Для исследования кинетики фотохимических процессов, для кинетической люминесценцентной спектроскопии, предназначен импульсный твердотельный лазер ближнего УФ диапазона (355нм) с диодной накачкой и модулированной добротностью Matrix 355-1-60 фирмы "Coherent", работающий на частоте до 80 кГц, со средней мощностью более 1 Вт (2 Вт при оптимальной частоте около 20 кГц) и длительностью импульса менее 25 нс. Узкий пучок с одной поперечной модой TEM00 – 0,23 мм на выходе при расходимости менее 3 мрад, высокая стабильность мощности 2% за 8 ч делают это устройство привлекательным для задач лазерного структурирования, модификации и обработки материалов с микрометрической точностью.

Информация на сайте производителя

Информация на сайте производителя

Для применений, требующих мощного импульсного излучения Laser Induced Breakdown Spectroscopy (LIBS), Laser Induced Plasma Spectroscopy (LIPS), лазерная абляция, очистка поверхностей, исследования лучевой прочности материалов, лазерный химический синтез, предназначен твердотельный импульсный Nd:YAG лазер на 1064 нм. с ламповой накачкой и модуляцией добротности SpitLight 2000-50 фирмы “InnoLas”. Лазер построен по схеме осциллятор-предусилитель-усилитель. Стержни осциллятора и предусилителя накачиваются одной Xe лампой, стержень основного усилителя двумя лампами. Это обеспечивает высокое качество пучка лазерного излучения и его стабильные энергетические параметры. Частота повторения импульсов оптимизирована на 50 Гц, но лазер может работать от 1 до 100 Гц и в режиме сдвоенных импульсов.

Энергия в импульсе – не менее 2 Дж.

Длительность импульса – не более 6-8 нс.

Стабильность энергии импульса на уровне 1%

Диаметр пучка 8 мм

Расходимость пучка – менее 0,5 мрад

Поперечный уход пучка ± 50 мкрад

Информация на сайте производителя

Для лазерных спектроскопических исследований, требующих предельно узкой ширины линии возбуждения, например для спектроскопии комбинационного рассеяния света, предназначен непрерывный одночастотный перестраиваемый лазер на кристалле титан-сапфира MBR 110 фирмы "Coherent". Это моноблочный кольцевой лазер с высокой стабильностью. Диапазон перестройки при накачке излучением 532 нм лазера Verdi G5 фирмы "Coherent" 720 - 940 нм. Перестроечные кривые лазера показаны на рис.8.

Диапазон автоматического сканирования не менее 30 ГГц со скоростью 8ГГц/сек.

Ширина линии генерации - не более 75 кГц.

Расходимость пучка излучения - не более 4 мрад.

Поперечные моды пучка излучения - одна мода TEM00.

Поляризация - горизонтальная.

Шумы (rms) - не более 2% от уровня излучаемой мощности.

femto7

Рисунок 8 – Перестроечные кривые для узкополосного лазера MBR 110

Информация на сайте производителя