“Diseño y Construcción de Cavidades y Resonantes para Láseres

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
Dimensional.
* Centro de Física Aplicada y Tecnología Avanzada
Universidad Nacional Autónoma de México, UNAM
Programa de la Presentación
Introducción: Láseres de pulsos
ultracortos en peines de frecuencia
frecuencia.
Constituyentes
C
tit
t d
de un láser
lá
para pulsos
l
ultracortos de estado sólido.
Elementos y criterios de diseño
Resultados de los láseres de pulsos
ultracortos desarrollados
Reloj Atómico al Cesio
Incertidumbre
relativa
Peine de frecuencias
13 s
± 2,5
2 5 x 10-13
BIPM
Láser estabilizado en ± 2,5
, x 10-11 m
frecuencia al Yodo
CENAM
Láser estabilizado en
f
i
frecuencia
00
k
Laboratorios
Secundarios
Laboratorio
L b
i de
d
Metrología
Producción
Bloques patrón de
referencia
4,5 x 10-7 m
Bloques patrón de
calibración
2,1 x 10-6 m
0
1
2
Z
X
± 1,0 x 10-9 m
Instrumentos de
medición
1,1 x 10-6 m
4,0 x 10-6 m
2,0 x 10-5 m
Y
Medición de piezas
producto
3,0 x 10-4 m
Bombeo del medio de ganancia
ganancia,
alto voltaje, corriente eléctrica,
otro láser.
Medio de ganancia,
ganancia con
absorción selectiva del
bombeo.
Cavidad de láser
á
de estado sólido
ó
Láser de
bombeo
Cavidad resonante con al
menos un semiespejo.
semiespejo
Elementos de sujeción que
g
la alineación óptica
p
y
aseguren
estabilidad mecánica de los
elementos del láser.
Para láseres de basados en Cr: LiSAF podemos hacer:
1. Bombeo directo con diodos Láser
x0
x1
Cr:LiSAF
Modelos
basados en
matrices ABCD
A
Diodo Laser C
1 Watt
275mm
L f75 M
L-f200 L-f75
65mm 27mm
waist of "V" cavity + waist of pump beam
Vertical fuera de eje
0.2
h
0.15
C D
w [mm]
A B
0.1
0.05
0
-0.05
0 05
-0.1
v
Vertical en el eje
638
640
642
644
646
648
Z axis [mm]
650
652
654
656
2. Bombeo con cavidad bombeada por diodos Láser
Diode pump solid state laser
laser, (DPSS)
Haz
haz intracavidad
waist
of de
"V"bombeo
cavity + ywaist
of pump beam
50
0.2
100
30 um diametro
150
0.15
200
250
w [m
mm]
0.1
300
350
0.05
400
450
100
0
-0.05
200
Posición del
Cristal
-0.1
01
638
640
642
644
646
648
Z axis [mm]
650
652
654
656
300
400
500
600
100% de energía acoplada al
modo fundamental
Modos delde
tipo
Eficiencia
acoplamiento
p
Hermite-Gauss
alm =
4ε
µ
∫∫ E
∗
lm
2
alm
( x, y )ηE=pump ( x, y ) dx dy
∑a
lm
2
'
l 'm '
lm
'
Cristales Vibrónicos con emisión de amplio espectro
Sistema láser
de 4 niveles
Niveles
excitados
Relajación
en la red
Cr:LiSAF
Ti:Za
a
Bombeo
óptico
Emisión
p
de amplio
espectro
Relajación al
estado base
Ti- Za
Absorción
Emisión
Un
nidades a
arbitrarias
s
Un
nidades a
arbitrarias
s
Emisión – Absorción para
cristales Cr:LiSAF y Ti- Za
Absorción
Emisión
Longitud de onda (nm)
L
Longitud
it d de
d onda
d (nm)
( )
Fuente: W. Koechner, Solid-State Laser engineering,
Láser de onda continua CW sin control de modos
Am
mplitud
ι(ν)
I( t )
Fa
ase
Am
mplitud
+π
0
-π
Tiempo
Frecuencia
Frecuencia
-π
∆ν
I( t )
Amplittud
ι(ν)
Fase
e
Ampllitud
Láser pulsado en régimen “mode locking”
0
+π
Frecuencia
Frecuencia
∆tp
Tiempo
W. Koechner, Solid-State Laser engineering,
Cavidades lineales y de anillo
Espejo de acoplamiento
Cavidad de anillo de 4
Cavidad Lineal de 4 espejos
p j
espejos
Espejos de alta reflexión
Tran
nsmisio
on %
Transm
mitancia (%)
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
500
0,20
0,18
0,16
0,14
0,12
0,10
0 08
0,08
0,06
0,04
0,02
,
0,00
750
Espejos para Cr:LiSAF,
Transmision
de Espejos de la cavidad
alta reflexión y ancho espectro
700
800
850
900
Lomgitud de onda (nm)
950
900
Longitud de Onda (nm)
1100
0,05
0
05
0,05 100
0,04
0,04 90
0,03 80
0,03
70
0,02
0,02 60
0,01
50
0,01
0,00 40
640
Transm
mitancia
a (%)
Tran
nsmitancia ((%)
Espejos para Ti-Za, alta reflexión y ancho espectro
30
20
10
0
640
740
840
Longitud de onda (nm)
940
740
840
Longitud de onda (nm)
940
Acoplador CVI de 98%
Trans
smitanc
cia (%)
3,00%
2 50%
2,50%
2,00%
Ti : Za
1,50%
1 00%
1,00%
0,50%
0,00%
750
Cr:LiSAF
800
850
900
Longitud de onda (nm)
950
La longitud de la cavidad resonante
determina la frecuencia de repetición
de los pulsos cortos
L
b
M2
M3
a
Cr:LiSAF
X5
X2
X6
M1
c
2l
c
=
l
Cavidad Lineal f repetición =
Cavidad Anillo f repetición
M4
segunda derivada dk/dw
Dispersion de s
segundo orden [ffs2/cm]
260
Dispersion de segundo
orden para Cr:LiSAF
240
Cristal
En
E
ell cristal
i t l los
l modos
d de
d
longitud de onda corta
M
M
(azules)P y deM longitud de onda
P
larga (rojos) se mueven a
diferente velocida
velocida, lo que da
origen
g a la dispersion
p
de
segundo orden
220
200
180
160
140
0.8
M t i l
Material
Fused Silica
BK7
LAKL21
K5
F2
SF11
ZnSe
S
Cr:LiSAF
Ti:Za
i di a 850 nm
indice
1,4525
1,5098
1 6326
1,6326
1,51507
1,6067
1,7650
2 10
2,5107
1,40
1,76
angulo
l de
d Brewster
B
t
TB=artan(n)
55,45
56,48
58 51
58,51
56,57
58,10
60,47
68 28
68,28
54,41
60,40
0.85
0.9
Longitud de onda [um]
0.95
calculo con 8mm TiZa
a 795 nm, 5 mm prisma
i
apice (grados)
69,09
67,04
62 98
62,98
66,85
63,80
59,07
43 43
43,43
59,66
30 72
30,72
11,66
1
L
b
M2
M3
Configuración de anillo , X2 =x5= 300
mm, Frep
F
= 250 MHz
MH
X5
X2
X6
M1
 1 ∂ω
δ = 
 ω ∂p N

 ω − ω L  −1
 ≈  NL
 p N
ω
L

 p =0 
a
Cr:LiSAF
M4
p
100.7
-4
x 10
0
100.68
100.66
-1
100.64
Con esta expresión
podemos localizar la
posición
i ió del
d l cristal
i l
dentro de la cavidad
b [mm]
100 62
100.62
100.6
-2
100.58
100.56
-3
100.54
100 52
100.52
100.5
-4
42
44
46
48
a [mm]
50
52
Elementos de diseño para un láser de pulsos
ultracortos con aplicación
p
en metrología
g
Cavidad resonante corta
(alta frecuencia de
repetición).
Acoplamiento del haz de bombeo
al modo fundamental del láser
i
intracavidad
id d y en la
l posición
i ió del
d l
cristal
Diseño de
cavidad
Compensación de la
dispersión chirped
dispersión,
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
Barrido
espectral
50
100
150
200
250
300
350
400
450
100
200
300
400
500
600
Pulsos cortos
en láser
lá
d
de Ti Z
Za
Pulsos cortos
en láser
lá
d
de
Cr:LiSAF
1. Construcción de cavidades de anillo de corta longitud y alta
frecuencia de repetición (mayor a 500 MHz) usando cristales
cortos de TiZa.
2 C
2.
Caracterizar
t i
l pulsos
los
l
obtenidos
bt id por medio
di de
d la
l construcción
t
ió de
d
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.
espectro
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
p
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-11)
GRACIAS POR SU
ATENCIÓN