Sistemas de LASER CPA: Oscilador e Stretcher

Sistema de laser do tipo CPA (Chirped Pulse Amplification) é uma técnica para a amplificação de um pulso de laser ultracurto até ao nível petawatts com o pulso de laser sendo esticado temporalmente e espectralmente antes da amplificação. O objetivo dessa técnica é principalmente alcançar altas potências sem afetar os dispositivos opticos do sistema.

  A técnica consiste inicialmente em um oscilador, que nada mais é do que um feixe LASER inicial (SEED) criado no oscilador, aqui irei discutir a situação para um LASER de Titanio:Safira (Ti:Al₂O₃) , em modo travado, de forma a selecionar uma região mais larga do espectro de emissão que no modo continuo. Esse feixe de LASER que é fornecido pelo oscilador segue em direção ao stretcher que tem a função de esticar temporalmente e espectralmente o feixe para apos poder ser amplificado sem fornecer riscos para os dispositivos ópticos  do sistema.

 O oscilador funciona como um pequeno sistema de laser, onde o mesmo possui uma cavidade óptica que é bombeada, em geral por um laser de Neodimio-Yag (Nd:YAG) (532nm), isso pois para haver emissão LASER num cristal de titanio:safira é necessário que o laser de bombeio apresente um certo conjunto de frequências características de acordo com a equação [1], para que então haja o efeito LASER, onde para o caso de um laser com cristal de titanio:safira é bem servido pelo segundo harmonico de um laser de Neodimio-Yag.

Pode-se verificar a diferença da largura espectral do laser de saída de um oscilador em modo contínuo e em modo travado utilizando-se uma fibra optica conectada a um espectometro, abaixo segue o espectro de um oscilador de um LASER titanio:safira para o modo travado:

 Após o envio do feixe de LASER do oscilador para o  stretcher o mesmo apresenta seu espectro alargado para então ser enviado para amplificação, que em geral é uma amplificação inicial por meio de uma cavidade rgenerativa.

   O Stretcher pode ser composto por um diedro, uma rede de difração, um espelho concavo e um espelho convexo, como mostrado no esquema abaixo:

Na figura acima o feixe fara apenas uma passagem pelo stretcher, no entanto, se houver interesse por uma segunda passagem pode ser adicionado um pequeno prisma na saída do feixe.

  Quando o feixe passa pelo stretcher o mesmo apresenta um chirp devido a rede de difração. Esse chirp pode ser corrigido ajustando os parametros da rede de difração, e posição dos espelhos esféricos. No final o perfil do feixe de laser obtido na saida do stretcher se assemelha ao da figura abaixo.

Após o feixe ser alargado o mesmo, num sistema CPA, é enviado para amplificação numa cavidade regenerativa, que sera o topico da nossa proxima discussão. Há também a possiblidade de inserção de um dazzler após o stretcher com objetivo de selecionar a gama de espectro que será enviada para a amplificação via cavidade regenerativa (regen), além de outros pormenores que serão discutidos mais a frente.    

KCC

LASER a brief introduction

http://www.dmphotonics.com/

LASER means a technique of “Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation,” was invented in 1960. In fact consist on active medium, that when stimulated by some specific energy source (photon energy) emits LASER light, which consists on the first photon plus the emitted photon, as showed on figure 1.

[http://u20science.org/akshivb/2013/04/17/laser/ - 17/04/2013]

LASERs are a coherent, monochromatic and directionality light source. The coherence is a property that indicates the ability of the waves to interfere with each other. Two waves that are coherent can be combined to produce an unmoving distribution of constructive and destructive interference (a visible interference pattern) depending on the relative phase of the waves at their meeting point. Waves that are incoherent, when combined, produce rapidly moving areas of constructive and destructive interference and therefore do not produce a visible interference pattern [1 - http://www.worldoflasers.com/laserproperties.htm].

 LASERs are said as monochromatic light source because they generate light on a very narrow band spectrum of wavelength, and in this case the peak of intensity is on one specific wavelength that makes them as a monochromatic light source.

Directionality is related with the multiple reflections inside of optical cavity that also produce a well-collimated beam, because only photons traveling parallel to the cavity walls will be reflected from both mirrors. If the light is the slightest bit off axis, it will be lost from the beam [1].

Active medium to LASER can be gas, liquid or solid. This medium is localized on the cavity center and is placed on the first stage of the laser system the oscillator, this is the place where the active medium receives energy to make a population inversion and is knew as a amplification medium. When the active medium has a good population inversion it emits a LASER light, which the wavelength depends of medium properties and of wavelength seed (utilized as an energy source to make a population inversion on active medium).

Here I will show as work a LASER oscillator to a state solid LASER, which means that we have as active medium a crystal. In fact LASER cavity consist on a crystal on the center of cavity, a set of mirrors and an energy source, as show the figure 2.

As we can see on figure 2, oscillator has a set of two mirrors, where one mirror has high reflection, and the other has a partial transmit, which means that some part of the amplified light can be emitted by the oscillator when it gets a specific energy, and before get this energy the beam is trapped on the cavity and will be how many tours inside of oscillator as necessary to get the energy to could be emitted. This specific energy is correlated with the longitudinal mode of the cavity.

To a cavity with l length some a specific set of frequencies could satisfy boundary conditions on mirrors, on the other hand, it means that just some frequencies we will have a constructive interference each time that a beam did a complete turn inside of the cavity.  These specific frequencies are cavity longitudinal modes:

C is light velocity, n_eff is effective refractive index inside of the cavity and l is cavity length.

Furthermore longitudinal modes, the frequencies that will be emitted by optical cavity need to be inside of the gain curve that has, in general, a big bandwidth. By the equation [1] is possible to find the frequencies permitted spacing:        

It is possible to estimate longitudinal modes number N of a LASER by the relationship between the gain curve bandwidth and frequencies permitted spacing:      

In this way the frequencies that will be emitted need satisfy the gain curve and the equation [1]. On the next post about lasers I will explain more about lasers system.

Kelly Cristine Camargo, PhD