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