Мощные сверхбыстродействующие лазеры на основе иттербия с высокой периодичностью имеют большое значение для применения в исследованиях и промышленности. Однако узкая спектральная полоса пропускания (10 нм) этой лазерной системы привела к появлению многочисленных методов посткомпрессии, основанных на фазовой самомодуляции для расширения спектра. Эффективность сжатия методов многопроходного резонатора может превышать > 90 процентов, создавая сверхкороткие импульсы высокой энергии и средней мощности с равномерным пространственным распределением.
В данной статье мы численно моделируем процесс сжатия в многопроходном резонаторе и показываем, как оптимизировать параметры системы так, чтобы расширенный спектр имел плавную фазу и получались чистые сжатые импульсы.
Авторы использовали распределенный численный метод Фурье для моделирования распространения импульса внутри многопроходного резонатора. При моделировании учитываются такие эффекты, как дифракция, дисперсия, фазовая автомодуляция и самоусиление, а газ внутри многопроходного резонатора является инертным газом, поэтому эффектами комбинационного рассеяния света можно пренебречь. Интенсивность импульса в резонаторе контролируется ниже порога ионизации, поэтому эффектом ионизации также можно пренебречь. Реальная система многопроходного резонатора должна удовлетворять четырем условиям: (1) оптическая длина внутри резонатора больше нелинейной длины и меньше дисперсионной длины, т. е. < L<; (2) the upper limit of the soliton order is less than 10, i.e., N = √ < 10; (3) avoiding self-focusing, <; and (4) avoiding ionization. Satisfying the above four conditions at the same time, the input pulse center wavelength is 1030 nm, the pulse width is 150 fs, the curvature of the multi-pass cavity lumen is 40 cm, the distance of the cavity lumen is 40 cm, and the pulse goes back and forth within the cavity 20 times. At this time to meet the actual multi-pass cavity needs of the pressure and pulse energy range shown in Figure 1 light blue region.
Рис. 1. Область параметров многопроходного резонатора.
The spectral characteristics of the output pulse are measured by two parameters, the half-height full width and the spectral cleanliness C. The spectral width of the output pulse is the limit of compression. The spectral width demonstrates the limiting pulse width of the pulse compression, while the spectral cleanliness C characterizes the cleanliness of the compressed pulse (high percentage of main peak energy and low intensity of secondary pulses). At C > 0.9 the compressed pulse has a primary peak energy share of >98 процентов и интенсивность вторичного импульса<0.5%. Figure 2 shows the spectral half-height widths of the multi-pass cavity with different parameters and the spectral cleanliness C. It can be seen from the figure that wide and clean spectra can only be obtained when the pressure and energy satisfy certain conditions.
Рис. 2. Чистота импульса на диаграмме энергия-давление.
Из рис. 2 видно, что лучшие результаты сжатия можно получить при энергии импульса 100 мкДж и давлении 10 бар, а соответствующие результаты моделирования показаны на рис. 3. Анализируется пространственная однородность спектров. на рис. 3(a) и рис. 3(b), и видно, что спектры по осям x и y совершенно одинаковы, а пространственная однородность хорошая. На рисунках 3(c) и 3(d) показаны ширины и спектры импульсов, из которых видно, что спектры имеют большой нижний запаздывание и плавную параболическую фазу, что соответствует предельному импульсу преобразования 14,2 фс.
Рис. 3. Пространственные спектральные распределения по осям x (а) и y (б), а также распределения ширины импульса (в) и спектрального (г) для результата уширения и сжатия импульса с энергией 100 мкДж в MPC, заполненном аргоном под давлением 10 бар.
На рис. 4 подробно показаны изменения спектра и пятна для каждого прохождения импульса через многопроходное резонаторное устройство. Рисунок 4(a) 1/спектр согласуется с изменением параметра спектральной чистоты, и ширина спектральной полувысоты остается постоянной после 10 проходов туда и обратно, но 1/спектр увеличивается, и спектр, по-видимому, имеет большую базу. График на рис. 4(b) показывает конечное выходное пятно как идеальную гауссиану. Рис. 4(в) демонстрирует эволюцию размера пятна, который плавно меняется на всем протяжении, обеспечивая сжимаемость последующих импульсов.
На рис. 4 (а) показана эволюция спектрального разброса после каждого прохождения туда и обратно; (б) показывает пространственную картину в конце распространения; и (c) показано сравнение поперечных размеров луча при распространении без газа (синяя линия) и с газом (точки).
В данной работе посредством численного моделирования показано, что при использовании многопроходного резонатора для сжатия импульса можно получить широкий и чистый спектр и высококачественный сжатый импульс за счет совместной оптимизации энергии импульса и давления газа, что предоставит руководство для последующего построения практической многопроходной системы резонаторов.
