Femtosekundni laserski oscilator Tsunami

Tsunami laser je u osnovi Ti:safir laser, koji uz Ti:safir kristal i pripadajuću optiku čini rezonantnu šupljinu. Laserski proces u Ti:safir kristalu nastaje kao rezultat energetske razlike između dva vibraciona nivoa Ti3+ iona u kristalu Ti:Al2O3, pri čemu dolazi do cijepanja osnovnog elektronskog stanja Ti3+ iona na dva vibracijska nivoa 2T2g i 2Eg , kao što je prikazano na slici:

Apsorpcijski prijelazi dešavaju se u širokom području valnih duljina od 400 nm do 600 nm (tipično na 532 nm), dok emisijski prijelazi idu s nižih vibracijskih stanja pobuđenog nivoa, na viša vibracijska stanja osnovnog stanja (od 700 nm do 900 nm), od kuda kreće relaksacija u niža vibracijska stanja osnovnog nivoa. Usrednjena snaga na izlazu iz Tsunami lasera je oko 800 mW (za l=800 nm). Izvor pumpne zrake je CW Millenia laser, koji je također laser iz porodice lasera čvrstog stanja, što znači da se laserska akcija (apsorpcija i emisija) dešava u kristalu (Nd:YVO4).

Tsunami laser sastoji se od:

Odabir valne duljine vrši se pomoću dva para prizmi i pukotine. Niz prizmi omogućava spektralno širenje zrake, tj razlaganje zrake po valnim duljinama. Između dva para prizmi smještena je pomična pukotina. Pomicanjem pukotine odabire se valna duljina lasera, a mijenjanjem širine pukotine, mijenja se i frekvencijski pojas, dakle i vremenska karakteristika izlaznog pulsa.

Tsunami laser radi u režimu sinhroniziranih modova (eng: mode-locking). Sinhronizacija modova u laserskim sustavima mogu se postići aktivnim (pomoću vanjskog signala, koji najčešće dolazi iz A/O modulatora) i pasivnim tehnikama (signal dolazi iz same laserske šupljine, dakle svjetlost). Regenerativna sinhronizacija modova je tehnika aktivne sinhronizacije modova, koja se koristi u Tsunami laseru. Bazira se na primjeni A/O modulatora, koji unutar rezonatora stvara periodički gubitak signala. No, osnovna razlika u odnosu na klasične aktivne tehnike je u tome što se RF signal dobije iz same rezonantne šupljine (pasivna tehnika). A/O modulatorom se osigurava pouzdan rad lasera u sinhroniziranom modu u samom početku rada, a u daljnjem radu lasera spriječava iznenadna ispadanja iz sinhroniziranog moda rada, što je česta pojava pri pasivnom sinhroniziranju modova.

U bilo kojem laserskom sustavu javljaju se one valne duljine (odnosno, frekvencije) koje su određene s dva faktora: duljinom rezonantne šupljine L (Dn=c/2L) i pojasom frekvencija koje se mogu postići u danom mediju (eng: gain). U laseru koji radi u režimu sinhroniziranih modova cilj je postići da unutar rezonantne šupljine longitudinalni modovi u nekoj točki prostora konstruktivno interferiraju, u nekoj drugoj destruktivno, tj. da su sinhronizirani u fazi ( nl=2L). Na taj način stvara se jedan puls koji oscilira unutar šupljine. Svaki put kad taj puls dođe do izlaznog zrcala nastaje izlazni laserski puls. Vrijeme između 2 pulsa odgovara vremenu potrebnom da on prođe kroz rezonator duljine L u oba smjera (2L), što odgovara vremenu od 12.2 ns, iz čega proizlazi da je frekvencija pulsiranja lasera 80- 82 MHz. Električno polje jednog (n- tog) moda koji se pojavljuje u rezonatorskoj šupljini dano je relacijom:

pri čemu frekvencija moda wn mora zadovoljavati uvjet:

Ukupno električno polje nastalo zbrajanjem svih modova može se prikazati relacijom:

U Tsunami laseru istovremeno titra oko milijun modova koji se zbrajaju u laserski puls. Veza između spektralne širine laserskog pulsa i njegovog trajanja dana je Fourier-ovom relacijom:

koja je direktna posljedica prirode svjetlosti. Što je puls kraći u vremenu, mora imati veću spektralnu širinu. Za pulseve čiji je umnožak DwDt blizu minimalne vrijednosti kažemo da su ograničeni u transformaciji (transform- limited). Tako za npr., 100 fs puls na 800 nm, spektralna širina na polovici vrijednosti maksimuma (FWHM) treba biti 9.5 nm.

Širina pulsa Ti:safir lasera ovisi o dva faktora: o svojstvima samog kristala i o svojstvima laserske rezonatorske šupljine. Kako se na svojstva kristala ne može utjecati, promjena širine pulsa može se postići disperzijom grupne brzine unutar rezonatora ( eng: group velocity dispersion-GVD). Optičke komponente unutar laserske šupljine uvode pozitivan GVD i dovode do širenja pulsa. Disperzija grupne brzine (Group Velocity Dispersion- GVD) se definira kao promjena brzine prolaska svjetlosti kroz medij u ovisnosti o frekvenciji, odnosno, valnoj duljini, što za posljedicu ima širenje pulsa u vremenu (n=n(l)). Razlikujemo pozitivnu i negativnu disperziju grupne brzine. Pri pozitivnoj disperziji (dn/dl<0), svjetlost nižih frekvencija (crvena svjetlost) putuje brže od svjetlosti viših frekvencija (plava svjetlost)- positivni chirp. Pri negativnoj disperziji imamo suprotan efekt, odnosno svjetlost viših frekvencija (plava svjetlost) putuje ispred svjetlosti nižih frekvencija (crvena svjetlost)- negativni chirp. Efekt je jače izražen ako se radi o kratkom pulsu, jer je tada veća spektralna širina pulsa. Za većinu materijala u vidljivom i IR dijelu spektra, pulsevi su pozitivno chirpani.

Također, moduliranje vlastite faze (eng: self-phase modulation- SPM) u kristalu lasera dovodi do širenje pulsa, a posljedica je interakcije kratkog optičkog pulsa i medija, čiji je indeks loma nelinearan. Nelinearni indeks loma n2 postaje ključan kada se radi o pulsevima visokog intenziteta, kao što je slučaj kod pulsnih lasera. Indeks loma nelinearnog medija ovisi o intenzitetu (optički Kerr-ov efekt):

gdje je n0 linearni indeks loma, a I trenutni intenzitet pulsa. Trenutna frekvencija direktno je proporcionalna s vremenskom derivacijom intenziteta:

Očito je da će se prednjem dijelu pulsa frekvencija smanjivati (jer je dI/dt>0), odnosno dolazi do pomaka frekvencija prema crvenom dijelu spektra ('red- shift'), dok se stražnjem dijelu pulsa (dI/dt<0) frekvencija pomiče prema višim vrijednostima, tj. pomaknute su prema plavom dijelu spektra ('blue- shift'). Na taj način se dobije spektralno razvučen puls.

Kao što se iz navedenog može vidjeti, puls koji nastaje u rezonatorskoj šupljini širi se vremenski (a time i prostorno) (zbog GVD) i spektralno (zbog SPM). Ova dva procesa direktna su posljedica interakcije pulsa s medijem, što je složen ali vrlo važan efekt. Naravno da sa svakim prolaskom kroz rezonator puls se sve više širi. Da bi se na izlazu dobio stabilan, vremenski kratak puls, ovi efekti se moraju kompenzirati negativnim GVD-om. Negativan GVD proizvode parovi prizmi u rezonatorskoj šupljini, čijim se zakretanjem mijenja širina pulseva. Širina pulsa je oko 100 fs, a ovisna je i o valnoj duljini na kojoj radi laser.