Diseño y Construcción de Cavidades Resonantes para Láseres de Pulsos Ultracortos de Ti:Zafiro y Cr:LiSAF

Transcripción

1 Sesión S2B2 Diseño y Construcción de Cavidades Resonantes para Láseres de Pulsos Ultracortos de Ti:Zafiro y Cr:LiSAF Héctor Castillo-Matadamas*, Rafael Quintero-Torres* Centro Nacional de Metrología, CENAM División de Metrología Dimensional. * Centro de Física Aplicada y Tecnología Avanzada Universidad Nacional Autónoma de México, UNAM

2 Programa de la Presentación Introducción: Láseres de pulsos ultracortos en peines de frecuencia. Constituyentes t de un láser para pulsos ultracortos de estado sólido. Elementos y criterios de diseño Resultados de los láseres de pulsos ultracortos desarrollados

3 Y X Z BIPM CENAM Reloj Atómico al Cesio Peine de frecuencias Láser estabilizado en frecuencia al Yodo Láser estabilizado en frecuencia Incertidumbre relativa ± 25x10 2,5-13 s ±2,5 x m ± 1,0 x 10-9 m Laboratorios Secundarios 00 k 0 Bloques patrón de referencia Bloques patrón de calibración 4,5 x 10-7 m 1,1 x 10-6 m 2,1 x 10-6 m 1 2 4,0 x 10-6 m Lb Laboratorio de Metrología Instrumentos de medición 2,0 x 10-5 m Producción Medición de piezas producto 3,0 x 10-4 m

4 Bombeo del medio de ganancia, alto voltaje, corriente eléctrica, otro láser. Cavidad de láser de estado sólido Medio de ganancia, con absorción selectiva del bombeo. Láser de bombeo Cavidad resonante con al menos un semiespejo. Elementos de sujeción que aseguren la alineación óptica y estabilidad mecánica de los elementos del láser.

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6 Para láseres de basados en Cr: LiSAF podemos hacer: 1. Bombeo directo con diodos Láser x0 x1 Modelos basados en matrices ABCD A Diodo Laser 1 Watt C 275mm L-f200 L-f75 M 65mm 27mm Cr:LiSAF h Vertical fuera de eje A B C D w [mm] waist of "V" cavity + waist of pump beam v Vertical en el eje Z axis [mm]

7 2. Bombeo con cavidad bombeada por diodos Láser Diode pump solid state laser, (DPSS)

8 waist Haz of de "V" bombeo cavity + y waist haz intracavidad of pump beam um diametro w [m mm] Posición del Cristal Z axis [mm]

9 100% de energía acoplada al modo fundamental Eficiencia Modos del de tipo 2 acoplamiento Hermite-Gauss 4εε a lm alm µ El m( x, y) ηe= pump ( x, y ) lm 2 a = dx dy ' ' l m ' ' l m

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11 Cristales Vibrónicos con emisión de amplio espectro Sistema láser de 4 niveles Cr:LiSAF Ti:Za Niveles excitados Bombeo óptico Relajación en la red Emisión de amplio espectro Relajación al estado base

12 Ti- Za Emisión Absorción para Absorción Emisión cristales Cr:LiSAF y Ti- Za Un nidades arbitrarias Absorción Emisión Un nidades arbitrarias Longitud de onda (nm) Longitud de onda (nm) Fuente: W. Koechner, Solid-State Laser engineering,

13 Láser de onda continua CW sin control de modos + π Am mplitud ι(ν) Am mplitud I( t ) Fa ase 0 Frecuencia Tiempo Frecuencia Láser pulsado en régimen mode locking - π Ampl litud ι(ν) ν Frecuencia +Fase e - π 0 + π Frecuencia Amplit tud I( t ) Tiempo t p W. Koechner, Solid-State Laser engineering,

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15 Cavidades lineales y de anillo Espejo de acoplamiento Cavidad Cavidad Lineal de anillo de de 4 espejos 4 espejos Espejos de alta reflexión

16 ) Transm mitancia (% on % 0,20 0,18 0,16 nsmisio Tran Espejos para Cr:LiSAF, Transmision de Espejos de la cavidad alta reflexión y ancho espectro 0,14 0,12 0, ,08 0,06 0,04 0,02 0, Lomgitud de onda (nm) Longitud de Onda (nm)

17 Espejos para Ti-Za, alta reflexión y ancho espectro Tran nsmitancia (%) 005 0,05 0,05 0,04 0,04 0,03 0,03 (%) 0,02 a Transm mitancia 0,02 0,01 0, , Longitud de onda (nm) Longitud de onda (nm)

18 Acoplador CVI de 98% 3,00% Trans smitanc cia (% ) 2,50% 2,00% 1,50% 1,00% 0,50% Ti : Za Cr:LiSAF 0,00% Longitud de onda (nm)

19 La longitud de la cavidad resonante determina la frecuencia de repetición de los pulsos cortos Lb M2 M3 M1 X2 Cr:LiSAF X6 X5 a M4 Cavidad Lineal Cavidad Anillo c f repetición = 2 l c f repetición = l

20 260 segunda derivada dk/dw En el l cristal i t l los l modos d de d Cristal 220 longitud de 200 onda corta 180 (azules) y de M longitud de onda M 160 P P M larga (rojos) se mueven a diferente velocida, lo que da TB=artan(n) apice (grados) origen g a la dispersion p de BK7 1, ,48 67,04 LAKL21 1, , ,98 30,72 K5 1,51507 segundo 56,57 orden 66,85 F2 1, ,10 63,80 fs 2 /cm] Dispersion de segundo orden [f 240 Dispersion de segundo orden para Cr:LiSAF Longitud de onda [um] calculo con 8mm TiZa Material indice a 850 nm angulo de Brewster a 795 nm, 5 mm prisma Fused Silica 1, ,45 69,09 59,66 SF11 1, ,47 59,07 11,66 ZnSe 2, ,28 43,43 Cr:LiSAF 1,40 54,41 Ti:Za 1,76 60,40

21 Configuración de anillo, X2 =x5= 300 mm, Frep = 250 MHz M3 Lb Cr:LiSAF a M2 X2 X5 δ ω ω ω 1 NL L 1 = pn ω pn p= 0 ωl M1 X6 p M4 x Con esta expresión podemos localizar la posición ió del cristal dentro de la cavidad b [mm] a [mm] -4

22 Elementos de diseño para un láser de pulsos ultracortos con aplicación en metrología Cavidad resonante corta (alta frecuencia de repetición). Acoplamiento del haz de bombeo al modo fundamental del láser intracavidad id d y en la posición ió del cristal Diseño de cavidad Compensación de la dispersión, chirped mirror o prismas de corta longitud, n?? Localización de la posición del Cristal de acuerdo a la saturación de ganancia y a la sensibilidad del Kerr Lens

23 Barrido espectral

24 Pulsos cortos en láser de Ti Za

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27 Pulsos cortos en láser de Cr:LiSAF

28 1. Construcción de cavidades de anillo de corta longitud y alta frecuencia de repetición (mayor a 500 MHz) usando cristales cortos de TiZa. 2. Caracterizar los pulsos obtenidos por medio de la construcción de un autocorrelador con detector de diodo emisor de luz, LED. 3. Verificar la máxima estabilidad de los pulsos en láser de Cr:LiSAF usando un láser de bombeo DPSS. 4. Posible incorporación de un medio no lineal dentro de la cavidad a fin de realizar el Kerr lens en una posición diferente al del medio de ganancia. 5. Una vez caracterizados los pulsos se iniciará la incorporación de fibra micro estructurada a fin de obtener la expansión del espectro.

29 1. El bombeo por ambos extremos del cristal de Cr:LiSAF, causa saturación de la ganancia, sobre todo cuando el acoplamiento no es óptimo como en el caso del bombeo con DL s. 2. Para el caso del Cr:LiSAF es adecuada la incorporación de un medio no lineal dentro de la cavidad a fin de realizar el Kerr lens en una posición diferente al del medio de ganancia. 3. La longitud de onda de emisión de Cr:LiSAF es ideal para espejos de penetración variable comerciales (chirp mirrors) por lo que se deberan confirmar anchos de pulsos menores de 100 fs usando chirp mirrors. 4. Las cavidades de alta frecuencia de repetición con Ti:Za y chirp mirrors ha probado ser robustas siempre que sean usados cristales cortos ( 3 mm) y de alta absorción (5 cm -1 )

30 GRACIAS POR SU ATENCIÓN