pimiПриборы и методы измеренийDevices and Methods of Measurements2220-95062414-0473BNTU10.21122/2220-9506-2021-12-1-23-29pimi-696Research ArticleСредства измеренийMeasuring instrumentsФемтосекундная лазерная система с импульсной накачкой генератора и усилителя при использовании одного силового блокаFemtosecond System with Pulse Pumping of Seed Laser and Amplifier by Using a Single Power UnitТихомировС. А.TikhomirovS. A.

Адрес для переписки: Тихомиров С.А. – Институт физики имени Б.И. Степанова НАН Беларуси, пр-т Независимости, 68, Минск 220072

e-mail: s.tik@ifanbel.bas-net.by

Address for correspondence: Tikhomirov S.A. –  B.I. Stepanov Institute of Physics of the National Academy of Sciences of Belarus, Nezavisimosty Ave., 68, Minsk 220072, Belaruse-mail: s.tik@ifanbel.bas-net.by

s.tik@ifanbel.bas-net.byИнститут физики имени Б.И. Степанова Национальной академии наук БеларусиБеларусьB.I. Stepanov Institute of Physics of the National Academy of Sciences of BelarusBelarus2021190320211212329Copyright © Тихомиров С.А., 20212021Тихомиров С.А.Tikhomirov S.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://pimi.bntu.by/jour/article/view/696

Уже на протяжении нескольких десятилетий развитие методов генерации сверхкоротких импульсов является самостоятельной актуальной научно-технической задачей. Идёт постоянное совершенствование как способов получения импульсов, так и методов их использования. Целью данной работы являлось исследование возможности реализации согласованной работы двух принципиально разных типов лазеров накачки фемтосекундного генератора и усилителя на одном одноламповом квантроне и создание на этой основе компактной мощной фемтосекундной лазерной системы с импульсной накачкой и одним силовым блоком.

Осуществлена практическая реализация на одном квантроне с двумя активными элементами и одной лампой накачки двух типов импульсных лазеров (нано- и пикосекундного, работающих, соответственно, в режиме модулированной добротности и синхронизации мод). Получены требуемая синхронизация во времени момента формирования импульса накачки фемтосекундного усилителя и области квазистационарной генерации импульсов в выходном излучении фемтосекундного Ti:сапфирового генератора и необходимые взаимосогласованные энергетические параметры выходного излучения лазеров накачки фемтосекундного генератора и усилителя.

На этой основе разработана компактная импульсная моноблочная лазерная система, способная обеспечить генерацию фемтосекундных импульсов длительностью 50–150 фс с энергией до 1 мДж и достаточно высокой частотой повторения импульсов (вплоть до 1 кГц, что определяется типом используемых квантрона и блока накачки). В лазерной системе использована компактная совмещённая схема стретчера-компрессора с одной общей дифракционной решёткой.

Лазерные системы подобного типа, характеризуемые относительно низкой стоимостью за счёт использования одного силового блока питания для одновременной накачки усилителя и генератора, а также более низкими требованиями к качеству оптических элементов и условиям эксплуатации благодаря импульсному режиму работы, представляются достаточно практичными. Они могут найти применение как в научных исследованиях в области сверхскоростной кинетической спектроскопии и нелинейной оптике, так и в многочисленных технических приложениях, в частности в прецизионной обработке материалов, как оптические имитаторы воздействия тяжёлых заряженных частиц при проведении испытаний радиационной стойкости интегральных микросхем и электронных модулей.

For several decades development of methods for generating ultrashort pulses has been an  independent urgent scientific and technical problem. There is a constant improvement both in the methods of such pulses receiving and in methods of their use. The aim of this work was to investigate the possibility of realizing the coordinated  operation  of  two  fundamentally  different  types  of  pump  lasers for the femtosecond oscillator and amplifier based on one single-lamp laser head and to create on this basis a compact high-power femtosecond system with pulsed pumping and one power unit.

The practical implementation of two types of pulsed lasers (nano- and picosecond ones operating, respectively, in Q-switch and modelock regime) on a single laser head with two active elements and one pump lamp is carried out. The required synchronization in time the pump pulse femtosecond amplifier formation and quasi-stationary region of generated pulses in the output radiation of a femtosecond Ti:sapphire is obtained.

On this basis a compact, pulse pumped monoblock laser system has been developed that can generate femtosecond pulses with a duration of 50–150 fs with an energy up to 1 mJ and a high enough pulse repetition rate (up to 1 kHz which is determined by the type of laser head and pump unit used). In the developed laser system a compact scheme of a stretcher-compressor with a single common diffraction grating is used.

Laser systems of this type characterized by a relatively low cost due to the use of a single power supply unit for simultaneous pumping  of  the  amplifier  and  oscillator,  as  well  as  lower  requirements for the quality of optical elements and usage conditions due to the pulse mode of operation, are quite practical and  can  be  used  both  in  scientific research  in  the  field  of  ultra-high-speed kinetic spectroscopy and nonlinear optics, as well as in numerous technical applications, particular in the precision processing of materials, as optical  simulators  of  the  action  of  heavy  charged  particles  in  testing the radiation resistance of integrated circuits and electronic modules.

фемтосекундные лазерыимпульсная синхронная накачкагибридная синхронизация модfemtosecond laserspulsed synchronous pumpinghybrid modelockingReferencesKeller U. Recentdevelopmentsin compactultrafast lasers / U. Keller // Nature. ‒ 2003. ‒ Vol. 424(6950). ‒ Рp. 831–838.Keller U. Recent developments in compact ultrafast lasers. Nature, 2003, vol. 424, pp. 831–838.Крюков П.Г. Лазеры ультракоротких импульсов / П.Г. Крюков // Квантовая электроника. ‒ 2001. ‒ Т. 31. ‒ С. 95‒119.Kryukov P.G. [Ultrashort pulse lasers]. Kvantovaya elektronika [Quantum Electronics], 2001, vol. 31, no. 2, pp. 95‒119 (in Russian).Spence D.E., Kean P.N., Sibbett W. 60-fsec pulse generation from a self-mode-locked Ti:sapphire laser / D.E. Spence, P.N. Kean, W. Sibbett // Opt. Lett. ‒ 1991. ‒ Vol. 16, iss. 1. ‒ Рp. 42‒44. DOI: 10.1364/OL.16.000042Spence D.E., Kean P.N., Sibbett W. 60-fsec pulse generation from a self-mode-locked Ti:sapphire laser. Optics Letters, 1991, vol. 16, iss. 1, pp. 42‒44. DOI: 10.1364/OL.16.000042Ell R. Generation of 5-fs pulses and octavespanning spectra directly from a Ti:sapphire laser / R. Ell [et al.] // Opt. Lett. ‒ 2001. ‒ Vol. 26, iss. 6. ‒ Pp. 373‒375. DOI: 10.1364/OL.26.000373Ell R., Morgner U., Kärtner F.X., Fujimoto J.G., Ippen E.P., Scheuer V., Angelow G., Tschudi T. Lederer M.J., Boiko A., Luther-Davies B. Generation of 5-fs pulses and octave-spanning spectra directly from a Ti:sapphire laser. Optics Letters, 2001, vol. 26, iss. 6, pp. 373‒375. DOI: 10.1364/OL.26.000373Kisel V.E. Femtosecond pulse generation with a of the amplified femtosecond pulse diode-pumped Yb3+:YVO laser / V.E. Kisel [et al.] // Opt. Lett. ‒ 2005. ‒ Vol. 30, iss. 10. ‒ Pp. 1150‒1152. DOI: 10.1364/OL.30.0011505. Kisel V.E., Troshin A.E., Shcherbitsky V.G., Kuleshov N.V., Matrosov V.N., Matrosova T.A., Kupchenko M.I., Brunner F., Paschotta R., Morier-Genoud F., Keller U. Femtosecond pulse generation with a diodepumped Yb3+:YVO laser. Optics Letters, 2005, vol. 30, iss. 10, pp. 1150‒1152. DOI: 10.1364/OL.30.001150Gürel K. Green-diode-pumped femtosecond Ti:sapphire laser with up to 450 mW average power / К. Gürel [et al.] // Optics express. ‒ 2015. ‒ Vol. 23, no. 23. ‒ Pp. 30043‒30048. DOI: 10.1364/OE.23.030043Gürel K., Wittwer V.J., Hoffmann M., Saraceno C.J., Hakobyan S., Resan B., Südmeyer T. Greendiode-pumped femtosecond Ti:sapphire laser with up to 450 mW average power. Optics express, 2015, vol. 23, iss. 23, pp. 30043‒30048. DOI: 10.1364/OE.23.030043Sell A. 8-fs pulses from a compact Er:fiber system: quantitative modeling and experimental implementation / A. Sell [et al.] // Opt. Exp. ‒ 2009. ‒ Vol. 17. ‒ P. 10.Sell A., Krauss G., Scheu R., Huber R., Leitenstorfer A. 8-fs pulses from a compact Er:fiber system: quantitative modeling and experimental implementation. Optics express, 2009, vol. 17, iss. 2, pp. 1070‒1077.Борисевич Н.А. Квантовая электроника / Н.А. Борисевич [и др.]. ‒ 1999. ‒ Т. 28, № 3. ‒ С. 225‒231.Borisevich N.A., Buganov O.V., Tikhomirov S.A., Tolstorozhev G.B., Shkred G.L. [Passive mode locking of a femtosecond Ti:sapphire laser with pulsed synchronous pumping by a limited train of picosecond pulses]. Kvantovaya elektronika [Quantum Electronics], 1999, vol. 28, no. 3, pp. 225‒231 (in Russian).Stsiapura V.I. Charge transfer process determines ultrafast excited state deactivation of thioflavin T in low-viscosity solvents / V.I. Stsiapura [et al.] // J. Phys. Chem. A. – 2010. – Vol. 114, no. 32. – Pp. 8345−8350. DOI: 10.1021/jp105186zStsiapura V.I., Maskevich A.A., Tikhomirov S.A., Buganov O.V. Charge transfer process determines ultrafast excited state deactivation of thioflavin T in lowviscosity solvents. J. Phys. Chem. A., 2010, vol. 114, no. 32, pp. 8345−8350. DOI: 10.1021/jp105186z

The authors declare that there are no conflicts of interest present.