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Sesión S2B2
“Diseño y Construcción de Cavidades yResonantes para Láseres de Pulsos Ultracortos de Ti:Zafiro y Cr:LiSAF ”y
Héctor Castillo-Matadamas*,§
Rafael Quintero-Torres*
§ Centro Nacional de Metrología, CENAMDivisión de Metrología DimensionalDivisión de Metrología Dimensional. * Centro de Física Aplicada y Tecnología AvanzadaUniversidad Nacional Autónoma de México, UNAM
Programa de la Presentación Introducción: Láseres de pulsos ultracortos en peines de frecuenciaultracortos en peines de frecuencia.
C tit t d lá lConstituyentes de un láser para pulsos ultracortos de estado sólido.
Elementos y criterios de diseño
Resultados de los láseres de pulsos ultracortos desarrollados
Incertidumbre relativa
± 2 5 x 10-13 s
Reloj Atómico al Cesio
Peine de frecuencias
Láser estabilizado en
± 2,5 x 10 13 s
± 2,5 x 10-11 m
BIPMPeine de frecuencias
frecuencia al Yodo
Láser estabilizado en f i
CENAM,
± 1,0 x 10-9 m
k
frecuencia
Bloques patrón de referencia
4,5 x 10-7 m00
referencia
Bloques patrón de calibración
LaboratoriosSecundarios
01,1 x 10-6 m
2,1 x 10-6 mcalibración
Instrumentos deL b i d
1 2 4,0 x 10-6 m
2,0 x 10-5 mInstrumentos de medición
Medición de piezas
Laboratorio deMetrología Y
X
Z
Medición de piezas producto
Producción3,0 x 10-4 m
Medio de ganancia conBombeo del medio de ganancia Medio de ganancia, con absorción selectiva del bombeo.
Bombeo del medio de ganancia, alto voltaje, corriente eléctrica, otro láser.
á óCavidad de láser de estado sólido
Láser de bombeo
Cavidad resonante con al menos un semiespejo
Elementos de sujeción que aseguren la alineación óptica y menos un semiespejo. g p yestabilidad mecánica de los elementos del láser.
Para láseres de basados en Cr: LiSAF podemos hacer:1. Bombeo directo con diodos Láser
x0 x1
Cr:LiSAFCr:LiSAF
L f75A
Diodo Laser C
Modelos basados en
ML-f75L-f200Diodo Laser 1 Watt
C
275mm 65mm 27mm
basados en matrices ABCD
Vertical fuera de eje
h 0.15
0.2
waist of "V" cavity + waist of pump beam
A B
C D0 05
0
0.05
0.1
w [
mm
]
Vertical en el ejev 638 640 642 644 646 648 650 652 654 656
-0.1
-0.05
Z axis [mm]
2. Bombeo con cavidad bombeada por diodos LáserDiode pump solid state laser (DPSS)Diode pump solid state laser, (DPSS)
0.2
waist of "V" cavity + waist of pump beam Haz de bombeo y haz intracavidad50
100
0.15
100
150
200
250
30 um diametro
0.05
0.1
mm
]
300
350
400
0w [
m
100 200 300 400 500 600
450
0 1
-0.05 Posición del Cristal
638 640 642 644 646 648 650 652 654 656
-0.1
Z axis [mm]
100% de energía acoplada al100% de energía acoplada al modo fundamental
∫∫ ∗ dydxyxEyxEa )()(4εModos del tipo Eficiencia de acoplamiento 2
lma∫∫= dydxyxEyxEa pumpmllm ),(),(4µε
Hermite-Gaussp
∑=
''''
2
mlml
lmlm
a
aη
Cristales Vibrónicos con emisión de amplio espectro
Niveles excitados
Relajación en la red
Sistema láser de 4 niveles
Cr:LiSAF
Ti:Za
Bombeo óptico
Emisión de amplio
a
óptico pespectro
Relajación al estado base
Emisión – Absorción para Absorción Emisión
Ti- Za
Emisión Absorción para cristales Cr:LiSAF y Ti- Za
s
s arbi
trar
ias
arbi
trar
ias
nida
des
a
Absorción
Emisión
nida
des
a Un
Un
Longitud de onda (nm) L it d d d ( )
Fuente: W. Koechner, Solid-State Laser engineering,
Longitud de onda (nm) Longitud de onda (nm)
Láser de onda continua CW sin control de modos+ π
ι(ν)
mplitud
I( t )
mplitud
+ π
0
ase
Frecuencia
Am
TiempoAm
- π
Frecuencia
Fa
Frecuencia Tiempo Frecuencia
Láser pulsado en régimen “mode locking”
∆νι(ν)litud
- π
e
I( t )
tud
∆νι(ν)
Ampl 0
+
Fase ∆tp
Amplit
W. Koechner, Solid-State Laser engineering,
Frecuencia+ π
Frecuencia Tiempo
Cavidades lineales y de anillo
Cavidad Lineal de 4 espejosCavidad de anillo de 4 espejos
Espejo de acoplamientop jespejos
Espejos de alta reflexión
Transmision de Espejos de la cavidadEspejos para Cr:LiSAF,
alta reflexión y ancho espectro
90100
alta reflexión y ancho espectro
607080
on %
405060
nsm
isio
0,160,180,20
)
102030
Tran
0 080,100,120,140,16
mita
ncia
(%
010
500 700 900 11000,020,040,060,08
Tran
sm
500 700 900 1100Longitud de Onda (nm)
0,00,
750 800 850 900 950Lomgitud de onda (nm)
Espejos para Ti-Za, alta reflexión y ancho espectro
0 05
90100
0,040,040,050,05
(%)
7080
a (%
)
0,020,030,030,04
nsm
itanc
ia (
405060
mita
ncia
0,010,010,02
Tran
203040
Tran
sm0,00640 740 840 940
Longitud de onda (nm)
01020
640 740 840 940Longitud de onda (nm)
Acoplador CVI de 98%
2 50%
3,00%
)
Ti : Za2,00%
2,50%
cia
(%
1 00%
1,50%
smita
nc
Cr:LiSAF0,50%
1,00%
Tran
s
0,00%750 800 850 900 950750 800 850 900 950
Longitud de onda (nm)
La longitud de la cavidad resonante determina la frecuencia de repeticióndetermina la frecuencia de repetición
de los pulsos cortos
M3
M2L
M3
M2b
aCr:LiSAFCr:LiSAF
cl
cfrepetición = 2 Lineal Cavidad
M4M1
X5X2
X6 M4M1
X5X2
X6 lcfrepetición = Anillo Cavidad
E l i t l l d d240
260segunda derivada dk/dw
fs2 /cm
]
Dispersion de segundo orden para Cr:LiSAFEn el cristal los modos de
longitud de onda cortaEn el cristal los modos de
longitud de onda corta200
220
segu
ndo
orde
n [f
Cristalorden para Cr:LiSAF
longitud de onda corta (azules) y de longitud de onda
longitud de onda corta (azules) y de longitud de onda 160
180
Dis
pers
ion
de s
M
PM
MP
larga (rojos) se mueven a diferente velocida lo que da
larga (rojos) se mueven a diferente velocida lo que da
0.8 0.85 0.9 0.95 1140
Longitud de onda [um]
P MP
calculo con 8mm TiZaM t i l i di 850 l d B t 795 5 idiferente velocida, lo que da
origen a la dispersion de diferente velocida, lo que da
origen a la dispersion deMaterial indice a 850 nm angulo de Brewster a 795 nm, 5 mm prisma
TB=artan(n) apice (grados)Fused Silica 1,4525 55,45 69,09 59,66
BK7 1,5098 56,48 67,04LAKL21 1 6326 58 51 62 98 30 72
g psegundo orden
origen a la dispersion de segundo orden
LAKL21 1,6326 58,51 62,98 30,72K5 1,51507 56,57 66,85F2 1,6067 58,10 63,80
SF11 1,7650 60,47 59,07 11,66S 2 10 68 28 43 43ZnSe 2,5107 68,28 43,43
Cr:LiSAF 1,40 54,41Ti:Za 1,76 60,40
M3M2L
Cr:LiSAFM3
M2b
Cr:LiSAFa
Configuración de anillo , X2 =x5= 300 F 250 MH
M4M1
X5X2
X6 M4M1
X5X2
X6
mm, Frep = 250 MHz
p
100.68
100.70
x 10-4
1
0
1 −
=
−≈
∂∂
= NL
LNL
pN
pp ω
ωωωω
δ
100 62
100.64
100.66
-1b
[mm
]
100.58
100.6
100.62
-2Con esta expresión podemos localizar la
i ió d l i l
100 52
100.54
100.56 -3posición del cristal
dentro de la cavidad
a [mm]42 44 46 48 50 52
100.5
100.52-4
Elementos de diseño para un láser de pulsos ultracortos con aplicación en metrología
Cavidad resonante corta (alta frecuencia de
Acoplamiento del haz de bombeo al modo fundamental del láser
i id d l i ió d l
p g
(alta frecuencia de repetición).
intracavidad y en la posición del cristal
Diseño deDiseño de cavidad
Compensación de la dispersión chirped Localización de la posición del dispersión, chirped mirror o prismas de corta longitud, n ??
Cristal de acuerdo a la saturación de ganancia y a la sensibilidad del Kerr Lens
Barrido espectral
5050
100
150
200
250
300
350
100 200 300 400 500 600
400
450
Pulsos cortoslá d Ti Zen láser de Ti Za
Pulsos cortoslá den láser de
Cr:LiSAF
1. Construcción de cavidades de anillo de corta longitud y altafrecuencia de repetición (mayor a 500 MHz) usando cristalesfrecuencia de repetición (mayor a 500 MHz) usando cristalescortos de TiZa.
2 C t i l l bt id di d l t ió d2. Caracterizar los pulsos obtenidos por medio de la construcción deun autocorrelador con detector de diodo emisor de luz, LED.
3. Verificar la máxima estabilidad de los pulsos en láser de Cr:LiSAFusando un láser de bombeo DPSS.
4. Posible incorporación de un medio no lineal dentro de la cavidad afin de realizar el Kerr lens en una posición diferente al del mediode ganancia.de ganancia.
5. Una vez caracterizados los pulsos se iniciará la incorporación defibra micro estructurada a fin de obtener la expansión del espectrofibra micro estructurada a fin de obtener la expansión del espectro.
1. El bombeo por ambos extremos del cristal de Cr:LiSAF, causasaturación de la ganancia, sobre todo cuando el acoplamiento noes óptimo como en el caso del bombeo con DL’s.
2. Para el caso del Cr:LiSAF es adecuada la incorporación de unpmedio no lineal dentro de la cavidad a fin de realizar el Kerr lensen una posición diferente al del medio de ganancia.
3. La longitud de onda de emisión de Cr:LiSAF es ideal para espejosde penetración variable comerciales (chirp mirrors) por lo que sede penetración variable comerciales (chirp mirrors) por lo que sedeberan confirmar anchos de pulsos menores de 100 fs usandochirp mirrors.
4. Las cavidades de alta frecuencia de repetición con Ti:Za y chirpmirrors ha probado ser robustas siempre que sean usados
1cristales cortos (∼3 mm) y de alta absorción (5 cm-1)
GRACIAS POR SUGRACIAS POR SU ATENCIÓN
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