Lasersko femtosekundno pojačalo

Lasersko pojačalo Spitfire je pulsno Ti:safir pojačalo sa širiteljem pulsa (stretcher) i sakupljačem pulsa (compressor). Način izvedbe pojačala omogućava pojačavanje optičkih pulseva u blizini IR područja, dobivenih u laserskom oscilatoru (Tsunami laser).

Sastoji se od četiri osnovna dijela:

Ulazni pulsni signal (iz odgovarajućeg mode-locked lasera, npr. Tsunami) energije svega nekoliko nJ može se pojačati do energije preko 1 mJ. To pojačanje od milijun puta se dešava unutar Ti:safir kristala, kada optički puls prolazi kroz njega. Sam kristal se također optički pumpa, obično pomoću diodno pumpanog lasera (Evolution laser). Pojačanje u kristalu je slabo, otprilike za faktor tri po jednom prolasku kroz kristal, ali tehnikom regenerativnog pojačanja (višestrukim prolaskom zrake kroz kristal), taj faktor postaje značajniji.

Izlazna snaga pulsa obično je ograničena svojstvima samog kristala jer pri visokim snagama dolazi do trajnog oštećenja kristala. U kristalu dolazi do samofokusiranja zrake, što je posljedica nelinearnog indeksa loma. Tehnikom pojačanja chirpanog pulsa (Chirped Pulse Amplification- CPA) taj problem se izbjegava. Radi se o procesu pri kojem se ulazni puls najprije raširi u vremenu (chirp), potom se, takav puls niže snage, pojača, te ponovo kompresira čime se dobije puls u trajanju kao i početni puls, ali puno veće energije. Frekvencija s kojim se javljaju izlazni pulsevi varira između 1 kHz i 5 kHz (u našem slučaju 1 kHz), a energija pulsa je 1 mJ. Pojednostavljena shema dana je na slici:

Širenje pulseva u femtosekundnom pojačalu

Ulazni signal upada na širitelj snopa (stretcher) između vertikalnog retro-reflektirajućeg zrcala. Svjetlost pada na rešetku, koja usmjerava svjetlost na zakrivljeno zlatno zrcalo. Rešetka ima svrhu stvaranja GVD-a pa je puls pozitivno chirpan. To znači da unutar pulsa, plave frekvencije imaju dulji optički put od crvenih, odnosno kasne u vremenu. Zrcalo reflektirta zraku natrag u stretcher, ali je zraka sada pomaknuta prema dolje u odnosu na upadnu zraku, te umjesto da prođe kroz vertikalni retro-reflektor (poput upadne zrake), on je reflektira, prema gornjem zrcalu retro-reflektora, koji je u podiže u odnosu na upadnu zraku. Zbog disperzije na rešetci, puls je već sad vremenski proširen, no radi postizanja i prostorne disperzije zraka još jednom prolazi kroz stretcher, još se jednom okomito otklanja te pada na pick- up zrcalo, koje zraku reflektira prema dijelu pojačala koji vrši pojačanje signala.

Pojačavanje pulseva u femtosekundnom pojačalu

Aktivni medij u kojem se pojačava signal je Ti:safir kristal. On se odlikuje velikom otpornošću na termičko naprezanje, zbog čega je moguće optičko pumpanje kristala signalom relativno velike snage. Uz to, kristal ima veliki koeficijent pojačanja emisije, pa se koristi kao dobar aktivni medij. Kristal se pumpa pulsnim laserom (Evolution), koji kada puls nailazi na kristal aktivira i Pockelsovu ćeliju koja u aktivnom stanju vrši pojačavaje signala, a kada je deaktivirana upadni puls prolazi kroz pojačalo, bez ikakvog ili vrlo malog pojačanja. Shema dijela pojačala u kojem se vrši pojačavanje signala može se vidjeti na slici:

Kada pumpni laser ne pulsira, ulazni signal ulazi u rezonatorsku šupljinu, reflektira se od kristala, prolazi kroz Pockelsovu ćeliju (PC1) (koja je sada deaktivirana), l/4 pločicu (WP), reflektira se od zrcala (M1), ponovo prolazi kroz l/4 pločicu, te je sada zarotiran za l/2. Takva zraka prolazi kroz kristal i ostale optičke elemente u rezonatoru. Čim puls napusti Pockelsovu ćeliju, na nju se dovodi pravokutni naponski signal, čime se Pockelsova ćelija aktivira. Ona sada postaje aktivni element u rezonatoru, zakrećući ravninu polarizacije za l/4, te time poništava utjecaj l/4 pločice. Svjetlost dvostrukim prolaskom kroz Pockelsovu ćeliju i l/4 pločicu ne doživljava nikakvu promjenu pa puls ostaje zarobljen u rezonatoru. Nakon što načini nekoliko punih prolazaka kroz rezonator (oko 20), drugi pravokutni signal se narine na izlaznu Pockelsovu ćeliju (PC2), koja dvostrukim prolaskom zrake kroz ćeliju (iza ćelije nalazi se zrcalo M2 pa reflektira zraku) zakreće zraku za l/4. Takav signal izlazi van iz rezonatora kroz odgovarajući polarizator. Dok je signal zarobljen u rezonatoru, on nekoliko puta prolazi kroz kristal, čime se pojačava milijun puta.

Očito je da je najvažnija pretpostavka rada pojačala dobar rad generatora elektroničkog signala jer je važno postići sinhronizaciju s pumpom pojačala i pravilno kašnjenje u trigeriranju dviju Pockelsovih ćelija. Druga Pockelsova ćelija (PC2) se aktivira nešto kasnije u odnosu na prvu, jer mora proći određeno vrijeme koje je potrebno da puls načini nekoliko prolazaka kroz rezonator (Dt= 200 ns).

Kompresija pulseva u femtosekundnom pojačalu

Nakon izlaska iz regenerativne šupljine, pulsni signal odlazi u kompresor, gdje se negativnim GVD kompenzira chirp u pulsu. Puls se sužava, a intenzitet signala raste.

Tako pojačani puls dolazi do kompresora, gdje se najprije reflektira od kompresorske rešetke prema horizontalnom retro-reflektoru. Retro-reflektor reflektira zraku natrag prema rešetci, pri čemu je razvlači lateralno (okomito na smjer propagacije) par centimetara. Zraka se odbija od rešetke pomaknuta u horizontalnom smjeru prema vertikalnom retro-reflektoru, koji pomiče zraku u vertikalnom smjeru. U tom trenutku puls je još uvijek pozitivno chirpan. Još jednim prolaskom kroz kompresor puls se skraćuje u vremenu na vrijednost blizu vrijednosti početnog, ulaznog pulsa.

Karakteristike izlaznog pulsa

Izlazni puls sada ima energiju od 1 mJ, u trajanju od 100 fs, a frekvencija pojavljivanja pulseva iznosi 1 kHz. Pomoću ovakvog laserskog sustava dobiju se izlazni pulsevi, s frekvencijom ponavljanja od 1 kHz, u vremenskom trajanju od 100 fs i energije 1 mJ, iz čega proizlazi da je vršna snaga pulsa 10^10 W. Poluširina pulseva (FWHM) iznosi Dl~ 10 nm na 800 nm.