ES2351066T3 - Procedimiento de amplificación con deriva de frecuencia espacio-temporal y dispositivo de puesta en práctica. - Google Patents

Procedimiento de amplificación con deriva de frecuencia espacio-temporal y dispositivo de puesta en práctica. Download PDF

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Abstract

Procedimiento de amplificación con deriva de frecuencia espacio-temporal para un láser pulsado, que comprende una cadena de amplificación con deriva de frecuencia, caracterizado porque consiste en la secuencia: extender temporalmente los pulsos, ensanchar espacialmente las diferentes componentes espectrales de dichos pulsos, amplificar por separado estas diferentes componentes, y después comprimir espacial y temporalmente los pulsos amplificados.

Description

La presente invención se refiere a un procedimiento de amplificación con deriva de frecuencia espacio-temporal para un láser pulsado que comprende una cadena de amplificación con deriva de frecuencia, denominada CPA (Chirped Pulse Amplification).
La realización de láseres pulsados, de tipo zafiro dopado con titanio, con potencia máxima muy alta, requiere controlar espectros muy grandes para disminuir las duraciones de los pulsos en la salida de la cadena de amplificación.
Con el fin de extraer la mayor parte de la energía almacenada en los medios amplificadores, estos últimos se utilizan a menudo en un régimen próximo a la saturación. Esta saturación provoca desgraciadamente en las cadenas con deriva de frecuencia un desplazamiento espectral que limita la banda total.
Una solución clásica para evitar el estrechamiento espectral es utilizar una compensación previa, al comienzo de la cadena (antes del amplificador regenerativo o multipaso). Esta solución basada en filtrado tiene el inconveniente de limitar el rendimiento de extracción de los amplificadores y es tanto menos eficaz cuanto mayor es el número de pasos en los amplificadores.
Con más detalle, las cadenas CPA ponen en práctica la tecnología con deriva de frecuencia que se basa en el uso de pulsos de gran espectro, la extensión de los pulsos, la amplificación y la nueva compresión de estos pulsos extendidos. Normalmente, en las cadenas CPA basadas en osciladores que comprenden cristales de Ti:Sa que tienen un espectro de una anchura de 5 a 100 nm, para duraciones de pulsos comprimidos de 150 a 10 fs.
La capacidad de una cadena de amplificación para mantener un espectro correcto influye directamente en la capacidad del láser para funcionar con pulsos cortos. El estrechamiento espectral inducido por los amplificadores es por tanto un factor clave para la obtención de rendimientos de duración corta. Asimismo, una fuerte deformación de espectro, por ejemplo asimétrica, perturba la forma temporal y degrada el funcionamiento del láser.
Los amplificadores utilizados son de tipo de n pasos del haz en el medio amplificador. Cuando n es pequeño (inferior a 10) generalmente se utiliza la configuración geométrica multipaso. El láser de bombeo envía un pulso al cristal y el haz que va a amplificarse se envía a continuación y se efectúan n pasos para optimizar la extracción de energía.
Se esquematiza en la figura 1 un amplificador multipaso de este tipo, que comprende esencialmente un cristal 1 (por ejemplo de Ti:Sa) que recibe desde un espejo de entrada ME pulsos de entrada con diferente ángulo con respecto a la normal en su superficie de incidencia, y varios espejos de retorno M1 a M7 dispuestos a ambos lados del cristal 1 de modo que se hace que el haz atraviese el cristal con diferentes ángulos de incidencia, reenviando el último espejo M7 este haz hacia la salida a través de un espejo de salida MS.
Cuando se busca un factor de amplificación importante, hay que aumentar el número de
pasos y la configuración de la figura 1 ya no es aplicable. La configuración utilizada
generalmente es entonces el amplificador regenerativo, del que se esquematiza un ejemplo de
5 realización en la figura 2. Este tipo de amplificador permite realizar fácilmente una treintena de pasos. Un amplificador de este tipo se conoce por ejemplo a partir del documento US 2004/0 000 942 A.
El sistema representado en la figura 2 comprende un cristal 2 dispuesto, con una célula 3 de Pockels, en una cavidad óptica cerrada por dos espejos 4, 5 y bombeado por una bomba
10 6. Un polarizador 7, dispuesto en la cavidad, permite retener una parte del haz dentro de la cavidad, pasando el haz retenido por una placa 8 de media onda, un espejo 9 de retorno y un rotador 10 de Faraday en cuya salida un espejo 11 semitransparente lo reenvía hacia su uso (haz Eout). Por otra parte, el polarizador 7 permite aplicar en esta cavidad un haz exterior Ein.
En los dos casos (figuras 1 y 2), la ganancia del amplificador se escribe como:
imagen1
15
siendo JSTO la fluencia almacenada disponible para la ganancia en el medio (el cristal) y JSAT la fluencia de saturación de este medio. Es la ecuación clásica de la teoría de Frantz y Nodvick. En la siguiente tabla figuran algunos ejemplos de valores de JSAT para diferentes materiales de láseres:
20
Materiales
Jsat en J/cm2 Rango espectral
Colorantes
~0,001 J/cm2 Visible
Excímeros
~0,001 J/cm2 UV
Nd:YAG
0,5 J/cm2 1064 nm
Ti:Al203
1,1 J/cm2 800 nm
Nd:vidrio
5 J/cm2 1054 nm
Alexandrita
22 J/cm2 750 nm
Cr:LiSAF
5 J/cm2 830 nm
En régimen de baja señal, con JIN << JSAT, puede aproximarse la relación de ganancia
con:
imagen1
Al extenderse (dispersarse) el pulso amplificado, lo más frecuentemente de manera positiva, el solicitante ha puesto de manifiesto un problema. En efecto, las cadenas de pulsos 5 cortos utilizan un oscilador de gran espectro y estos pulsos cortos se extienden temporalmente para amplificarse a continuación y volverse a comprimir en la salida. Se representa esquemáticamente una cadena de este tipo en la figura 3, comprendiendo esta cadena esencialmente un oscilador 12, un extensor 13, una o varias etapas 14 de amplificación y un dispositivo 15 de compresión. Se ha representado un ejemplo de espectro de una señal de
10 oscilador de Ti:Za en la figura 4, en la que la fase espectral está representada con trazo continuo.
Cuando el impulso penetra en el amplificador, las componentes espectrales iniciales ven una ganancia g1 y se amplifican. Las siguientes componentes que están en el amplificador ven por tanto una ganancia g2 que ha disminuido porque el inicio del pulso ha “consumido”
15 energía almacenada. La forma temporal de la ganancia tiene una forma del tipo representado en la figura 5. Se tiene una ganancia inicial para la primera parte temporal de la forma:
imagen1
y una ganancia final, que tiene en cuenta la energía extraída, de la forma:
imagen1
20
siendo Jex la fluencia extraída del amplificador.
La ganancia aparente es por tanto más elevada para el inicio temporal de la señal que
para el final, lo que induce una deformación espectral de la señal amplificada, según se
representa en la figura 6. La curva de la figura 6 muestra el efecto de modificación de la
25 ganancia de un cristal de láser debido a la extensión temporal de los pulsos que van a amplificarse. Esta curva proporciona el valor de la ganancia ponderada (ganancia relativa, como para todas las demás curvas de ganancia) en función de la longitud de onda de la señal amplificada.
La figura 7 muestra dos curvas de desplazamiento de la ganancia debido a la extensión 30 temporal en función de la longitud de onda, respectivamente para un paso y para cuatro pasos a través del cristal.
Además del desplazamiento del espectro, también se observa un estrechamiento debido al ancho de la banda de ganancia.
La combinación de estos dos efectos va a limitar por tanto enormemente los rendimientos de las cadenas con deriva de frecuencia, porque limita la nueva compresión de los pulsos incidentes con vistas a obtener en la salida pulsos de duraciones muy cortas, por ejemplo de una duración de algunos fs.
Para compensar estos efectos, se puede proceder a una distorsión previa de la señal de entrada mediante filtrado activo o pasivo a costa de una disminución del rendimiento del láser (degradación de la ganancia). Además, los filtros utilizados tienen rendimientos bajos (<50%) puesto que actúan (cortan) espectralmente al máximo de energía.
Una segunda solución consistiría en hacer funcionar los amplificadores lejos de la saturación, pero en este caso disminuye enormemente la energía que puede extraerse del amplificador. Además, la estabilidad del pulso en la salida depende entonces enormemente de la estabilidad del pulso de entrada.
La presente invención tiene por objeto un procedimiento definido en la reivindicación 1 que permite optimizar el funcionamiento de amplificadores ópticos, en particular los de cadenas de láser CPA, prácticamente sin pérdida de energía y sin alteración del espectro de los pulsos producidos. La presente invención también tiene por objeto un dispositivo definido en la reivindicación 3 de puesta en práctica de este procedimiento.
El procedimiento según la invención se aplica a un amplificador óptico de cadena de láser con deriva de frecuencia (CPA), y se caracteriza porque consiste en ensanchar espacialmente las diferentes componentes espectrales y en amplificar por separado estas diferentes componentes.
La presente invención se comprenderá mejor tras la lectura de la descripción detallada de un modo de realización, tomado a modo de ejemplo no limitativo e ilustrado mediante el dibujo adjunto, en el que: − la figura 1, que ya se describió anteriormente, es un esquema simplificado de una etapa de
amplificador multipaso de una cadena CPA; − la figura 2, que ya se describió anteriormente, es un esquema de un amplificador regenerativo de la técnica anterior; − la figura 3, que ya se mencionó anteriormente, es un esquema simplificado de una cadena CPA clásica; − la figura 4, que ya se mencionó anteriormente, es un diagrama de un ejemplo de curva de evolución del espectro de un oscilador de Ti:Sa y de su fase espectral; − la figura 5, que ya se mencionó anteriormente, es un esquema simplificado que indica las
partes de una señal pulsada sobre las que actúa un amplificador de una cadena CPA; − las figuras 6 y 7, que ya se mencionaron anteriormente, son diferentes curvas de ganancia
que ponen de manifiesto los problemas con los que se encuentran las cadenas CPA
clásicas; − la figura 8 es un esquema de una cadena CPA según la invención y que muestra cómo se
aplica el procedimiento de la invención; − la figura 9 es un esquema simplificado de un dispositivo de ensanchamiento espacial de
las componentes espectrales de un pulso luminoso, dispositivo utilizado por la invención;
y − la figura 10 es un esquema que muestra un ejemplo de zonas de bombeo de un cristal de
láser utilizado según la invención.
La invención consiste en utilizar un dispositivo que permite ensanchar espacialmente el haz que va a amplificarse. Esta invención funciona en cualquier tipo de amplificador (regenerativo o multipaso) y permite compensar el desplazamiento espectral a la vez que aprovecha el funcionamiento en saturación de los amplificadores.
Con más detalle, la invención utiliza un sistema óptico que permite ensanchar espacialmente las diferentes componentes espectrales del pulso que se desea amplificar con el fin de evitar que estas componentes compartan la misma zona espacial de ganancia durante la amplificación. La consecuencia inmediata es que el efecto de saturación va a distribuirse por toda la banda espectral del pulso en lugar de intervenir sólo en el frente infrarrojo. El control del ensanchamiento espacial de las diferentes componentes espectrales del impulso permite distribuir la ganancia en función de la forma de la zona bombeada y de la extensión temporal.
Para una configuración dada, será posible obtener por tanto una ganancia uniforme por toda la banda espectral y librarse de los efectos de desplazamiento debidos a la saturación. Una vez que las componentes se han amplificado al valor deseado, basta con hacerlas pasar por un sistema óptico de compresión espacial que permite superponer las componentes espectrales.
Se ha representado de manera simplificada el dispositivo de la invención en la figura 8. Se toma el ejemplo de un pulso 16 incidente. Éste se ha extendido ya temporalmente de forma clásica, y se hace pasar en primer lugar por un dispositivo 17 de extensión espacial, en cuya salida se obtiene un pulso 18 extendido tanto temporal como espacialmente. Este pulso 18 se amplifica mediante un dispositivo 19 de amplificación que comprende una o varias etapas de amplificadores ópticos. A continuación se comprime espacialmente, y después temporalmente mediante un dispositivo 20, en cuya salida se obtiene un pulso 21 amplificado y comprimido espacial y temporalmente.
Deben reunirse dos condiciones para que el dispositivo de la invención funcione correctamente. La primera es que el pulso debe colimarse espacialmente (las componentes espectrales deben ser paralelas) con el fin de evitar un mezclado de las zonas de ganancia a medida que se produce la propagación del pulso en los amplificadores. La segunda es que el sistema óptico de ensanchamiento espacial utilizado en la entrada (en 7) debe presentar una ley sensiblemente inversa (teniendo en cuenta eventuales efectos de aberración espectral en el dominio espacial, efectos debidos a la amplificación) a la del sistema óptico utilizado en la salida (en 10) como compresor, como es el caso para un extensor y un compresor en un sistema CPA clásico.
Se ha representado en la figura 9 un ejemplo de realización del dispositivo 17 de ensanchamiento espacial. Este ejemplo es una línea de prismas, que comprende en el presente ejemplo dos prismas 22, 23 situados en el recorrido del pulso que desea amplificarse, aunque se entiende que esta línea puede comprender más de dos prismas. En la salida de este conjunto de prismas, el pulso se ensancha espectralmente y su sección 24 presenta, en el ejemplo representado, una geometría espacial elíptica. Este pulso ensanchado se envía a continuación a un cristal amplificador cuya zona de bombeo (por tanto, de ganancia) es circular (también es ventajoso adaptar la forma de la zona de ganancia a la forma del pulso que se desea amplificar). Si el bombeo es uniforme, puede considerarse que la ganancia total G0 se distribuye uniformemente por la superficie bombeada, según se representa en la figura 10.
Como el impulso está extendido temporalmente, la primera componente espectral que entra en el cristal es la longitud de onda más pequeña y va a situarse por ejemplo en la parte derecha de la zona de ganancia (como se observa en la figura 10). La última componente espectral que va a entrar en el cristal amplificador será la parte azul que verá la zona izquierda de la zona de ganancia. A medida que se produce la progresión de las diferentes componentes en el cristal, cada componente espectral dispondrá por tanto de su propia zona de ganancia y la saturación se presentará de manera equivalente para todas las componentes espectrales. Por tanto, el espectro del pulso aplicado en el amplificador va a conservarse.
A continuación basta con reenviar el pulso disponible en la salida de los amplificadores hacia un dispositivo de compresión espacial con prismas para superponer espacialmente las diferentes componentes espectrales.
Las ventajas presentadas por el dispositivo de la invención son las siguientes. Permite suprimir el filtrado espectral utilizado generalmente en la entrada de las cadenas de amplificación para limitar los efectos debidos a la saturación. Es aplicable a cualquier tipo de amplificador que funcione en un régimen próximo a la saturación, en particular los amplificadores regenerativos y multipaso. Es aplicable a etapas de amplificadores que
comprenden toda clase de materiales de láser, por ejemplo zafiro dopado con titanio.
El control del ensanchamiento espacial del espectro permite no solamente compensar
los efectos relacionados con la saturación, sino también darle forma al espectro favoreciendo
por ejemplo ciertas componentes espectrales. Este control puede realizarse o bien mediante el
5 dispositivo de ensanchamiento o bien mediante la adición de un componente óptico tal como una matriz de cristales líquidos. La forma de la zona de ganancia puede adaptarse a la forma espacial del pulso que va a amplificarse para maximizar la extracción. Puede utilizarse cualquier tipo de dispositivo óptico conocido que permita ensanchar 10 espacialmente el espectro. Puede ser ventajoso utilizar el mismo dispositivo en la entrada y en la salida del amplificador para compensar la modulación en frecuencia (chirp) espacial.
En conclusión, una característica esencial de la invención es la introducción de una
modulación en frecuencia (chirp) espacial en el pulso que se desea amplificar. La invención
permite hacer funcionar los sistemas amplificadores en régimen de saturación sin experimentar
15 los efectos de deformación del espectro. Permite obtener duraciones de pulsos más cortas a la vez que se mantiene un espectro grande durante las fases de amplificación, y todo ello maximizando el rendimiento del láser. Por tanto, es un procedimiento novedoso de amplificación de pulsos cortos basado en la extensión espacial combinada con extensión temporal.
20

Claims (8)

  1. REIVINDICACIONES
    1.
    Procedimiento de amplificación con deriva de frecuencia espacio-temporal para un láser pulsado, que comprende una cadena de amplificación con deriva de frecuencia, caracterizado porque consiste en la secuencia: extender temporalmente los pulsos, ensanchar espacialmente las diferentes componentes espectrales de dichos pulsos, amplificar por separado estas diferentes componentes, y después comprimir espacial y temporalmente los pulsos amplificados.
  2. 2.
    Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque las diferentes componentes espectrales se coliman espacialmente durante su ensanchamiento espacial.
  3. 3.
    Dispositivo de amplificación con deriva de frecuencia espacio-temporal para un láser pulsado, que comprende una cadena de amplificación con deriva de frecuencia, caracterizado porque comprende, en la secuencia cronológica de paso de cada pulso: un dispositivo (16) de extensión temporal de pulsos, un dispositivo (17) de ensanchamiento espacial de pulsos, etapas (19) de amplificación y un dispositivo (20) de compresión espacial y temporal de pulsos amplificados.
  4. 4.
    Dispositivo según la reivindicación 3, caracterizado porque el dispositivo de ensanchamiento espacial y el dispositivo de compresión espacial de pulsos comprenden cada uno al menos dos prismas (12, 13).
  5. 5.
    Dispositivo según la reivindicación 3 ó 4, caracterizado porque la ley de compresión del dispositivo de ensanchamiento espacial es inversa a la ley de ensanchamiento del sistema óptico de compresión espacial.
  6. 6.
    Dispositivo según la reivindicación 5, caracterizado porque la ley de compresión del dispositivo de compresión espacial tiene en cuenta efectos de aberración espectral en el dominio espacial debidos a la amplificación.
  7. 7.
    Dispositivo según una de las reivindicaciones 4 a 6, caracterizado porque la cadena de amplificación comprende, en al menos una etapa de amplificador, un cristal de láser de Ti:Sa.
  8. 8.
    Láser pulsado, caracterizado porque comprende un dispositivo de amplificación con deriva de frecuencia espacio-temporal según una de las reivindicaciones 3 a 7.
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