Zamieszczam opis wzmacniacza regeneratywnego

Zamieszczam opis wzmacniacza regeneratywnego znajdującego się w LLSM. Skłoniły mnie do
tego liczne nieścisłości w sprawozdaniach wynikającego w dużej mierze z braku kompletnego opisu w
dostępnych materiałach. Mam nadzieję, że materiał pomoże Paostwu w przygotowaniu do
kolokwium. Osoby, które nie oddały jeszcze sprawozdania z wzmacniacza, proszone są o
niekopiowanie poniższego tekstu, ale napisanie swoim słowami.
Wzmacniacz regeneratywny (LLSM używa modelu Spitfire firmy Spectra Physics) służy do
wzmocnienia energii impulsu z lasera femtosekundowego (Spectra Physics Tsunami). Zanim impuls z
Tsunami zostanie wpuszczony do wzmacniacza, zostaje on rozciągnięty w czasie, aby zmniejszyd jego
moc szczytową. Duża gęstośd energii impulsu mogłaby doprowadzid do uszkodzenia polaryzatora i
komórek Pockelsa wewnątrz wzmacniacza, a nawet jego ośrodka czynnego. Wydłużenie czasu
trwania impulsu osiąga się w tzw. stretcherze przez celowe wprowadzenie efektu dodatniego GVD
(dyspersji prędkości grupowej) przez układ siatek dyfrakcyjnych i luster. Poszerzony czasowo impuls
trafia do wzmacniacza, a po wzmocnieniu zostaje skierowany do tzw. kompresora, gdzie ujemne GVD
kompensuje efekt wprowadzony przez stretcher. Impuls zostaje więc ponownie skrócony w czasie, a
jego energia wzrasta w porównaniu z niewzmocnionym impulsem femtosekundowym z 12 nJ do ok.
1 mJ, czyli 105 razy. Ponieważ tylko niektóre impulsy lasera femtosekundowego są wzmacniane
(ponieważ proces wzmocnienia nie jest natychmiastowy), repetycja impulsów zmniejsza się z 82 MHz
na wyjściu lasera femtosekundowego do 1 KHz na wyjściu wzmacniacza.
Wzmacniacz regeneratywny składa się następujących elementów (rys.1) :

ośrodka czynnego, kryształ Ti:Al2O3

dwierdfalówki λ/4

dwóch komórek Pockelsa PC1 i PC2

polaryzatora cienkowarstwowego P
Rys.1 Schemat wzmacniacza regeneratywnego
Ośrodek czynny wzmacniacza (kryształ Ti:Al2O3, taki sam jak ośrodek czynny lasera
femtosekundowego) pompowany jest za pomocą osobnego lasera pompującego (Spectra Physics
Merlin) generującego w trybie przełączania dobroci impulsy o czasie trwania
250 ns.
Pompowanie prowadzi do inwersji obsadzeo ośrodku czynnym wzmacniacza. Wprowadzenie do
ośrodka czynnego poszerzonego impulsu femtosekundowego spowoduje emisję wymuszoną.
Wyemitowane kwanty będą zasilad impuls femtosekundowy, powodując wzrost jego energii.
Jedno przejście impulsu przez ośrodek czynny zmniejsza inwersję obsadzeo tylko nieznacznie,
konieczne jest zatem, aby impuls został uwięziony wewnątrz wzmacniacza i przeszedł przez
ośrodek czynny wiele razy. Impuls jest wprowadzany do wzmacniacza w chwili, gdy energia
impulsu pompującego jest maksymalna. Zapewnia to wydajną konwersję inwersji obsadzeo na
energię impulsu wzmacnianego. Jak widad na rys. 2, energia impulsu wzmacnianego osiąga
maksimum po ok. 20 przejściach przez rezonator, a następnie maleje (związane to jest to ze
zmniejszaniem się inwersji obsadzeo w krysztale oraz stratami wiązki w ośrodku czynnym
powodowanymi rozpraszaniem). Zatem po ok. 20 przejściach należy wyprowadzid impuls z
rezonator
Rys. 2 Wykres zależności energii impulsu wzmacnianego od czasu i ilości jego przejśd w
rezonatorze.
Uwięzienie impulsu w rezonatorze odbywa się w rezonatorze odbywa się w następujący sposób.
Impuls laserowy o polaryzacji wertykalnej pada pod kątem Brewstera na kryształ w punkcie A.
Odbija się on od wypolerowanej powierzchni kryształu i przechodzi przez wyłączoną komórkę
Pockelsa PC1. Wiązka przechodzi przez dwierdfalówkę, odbija się od zwierciadła M1 i wraca tą
samą drogą czyli ponownie przechodzi przez dwierdfalówkę. Dwukrotne przejście przez
dwierdfalówkę powoduje, że działa ona jak półfalówka
- polaryzacja wiązki zmienia się z
wertykalnej na horyzontalną (od czego zależy o jaki kąt obróci się płaszczyzna polaryzacji?) .
Impuls nie odbija się od kryształu, tyko przechodzi przez niego powodując emisję wymuszoną i
ulega wzmocnieniu. Wiązka nie może się odbid od kryształu, gdyż wówczas kierunek propagacji
fali byłby taki sam jak kierunek drgao wektora pola elektrycznego (wynika to z polaryzacji wiązki
padającej)
i powstała fala byłaby fala podłużną.
Następnie impuls przechodzi przez
cienkowarstwowy polaryzator (nie odbija się od niego z tego samego powodu dla którego nie
odbija się od kryształu)
i odbija się od M2 (komórka Pockelsa jest
nieaktywna). Jeżeli
powracająca wiązka przejdzie ponownie przez nieaktywną PC1 oraz dwukrotnie przez
dwierdfalówkę, polaryzacja zmieni się na horyzontalną i impuls zostanie odbity od kryształu, i
wyjdzie ze wzmacniacza tylko nieznacznie wzmocniony. Jeżeli jednak w momencie powrotu do
komórki Pockelsa zostanie przyłożone odpowiednie napięcie sprawiające, że zadziała ona jak
dwierdfalówka, całkowita zmiana fazy impulsu będzie odpowiadad λ/4+ λ/4 +λ/4 +λ/4 = λ.
Oznacza, że całkowity efekt zmiany polaryzacji zostaje zniesiony. Impuls (o polaryzacji
horyzontalnej) nie wydostaje się na zewnątrz, ale zostaje uwięziony w rezonatorze i ulega
wzmocnieniu przechodząc wielokrotnie przez kryształ tytanowo – szafirowy. Gdy energia impulsu
osiągnie wartośd maksymalną włączona zostaje druga komórka Pockelsa PC2 (działająca jak
dwierdfalówka). Przy przejściu przez włączoną PC2 polaryzacja wiązki zmienia się z horyzontalnej
na wertykalną, a impuls odbije się od cienkowarstwowego polaryzatora i wydostaje się z
rezonatora.
Literatura:
H. Abramczyk, „Introduction to laser spectroscopy” , Elsevier 2005