A jelenlegi lézerkutatások egyik fő irányvonala a minél rövidebb impulzusidők elérése. Tanszékünkön ultragyors spektroszkópiai, molekuladinamikai kutatások céljára femtoszekundumos titán-zafir lézert építettünk.

Az ultrarövid impulzusok előállításának alapproblémája, hogy az impulzus hullámcsomagként terjed, minél rövidebb, annál nagyobb sávszélességű, ami következik az elektromos tér időfüggvényének Fourier-transzformációjából. A terjedés során mindig fellép a diszperzió jelensége is, a különböző hullámhosszú komponensek eltérő sebességgel haladnak az aktív közegben. Ez a fázismoduláció megakadályozza az impulzus rövidülését, sőt a felhasználás során az impulzus kiszélesedését okozza. A lézerimpulzus teljes fejlődését a rezonátoron belül az alábbi operátoregyenlet írja le:

.

Titán-zafír aktív közegű lézerekkel a 650-950 nm sávszélességű erősítési tartománynak köszönhetően elméletileg 4-5 fs-os félérték szélességű impulzusok is előállíthatók lennének. Kiemelkedő eredményeket értek el ezen a területen Krausz Ferenc és munkatársai a Bécsi Műszaki Egyetemen, mi is sok segítséget kaptunk tőlük [1,2].

A lézer aktív közegét egy Brewster szögben elvágott, 1,67 mm vastag titán-zafír rúd képezi. A kristály két oldalán elhelyezkedő fókuszáló tükrök (f=25 mm) feladata egyrészt a kialakuló lézernek az aktív közeg kigerjesztett tartományára fókuszálása, másrészt megfelelő szögben való megdöntésük hivatott kompenzálni a Brewster szögben elvágott kristály okozta asztigmiát. Az elforgatás szögeinek meghatározására alkalmas transzcendens egyenletet

egy MATHCAD program segítségével oldottuk meg. A rendszert egy 4 W teljesítményű argon lézerrel (Coherent, Innova 90) pumpáljuk, melynek fényét egy lencsével (f=40 mm) fókuszáljuk az aktív közegbe.

A lézer rezonátoron belül, az aktív közegben fellépő csoportsebesség diszperzió káros hatásának kiküszöbölésére negatív csoportsebesség diszperzióval rendelkező optikai elemeket kell a rezonátorba iktatni. Az általunk használt "chirp"-ölt tükrök alapelve, hogy a különböző frekvenciájú komponensek különböző mélységben hatolnak be az anyagba mielőtt visszaverődnének, így frekvencia függő csoport késést szenvednek. Tükreinket Szipöcs Róbert és Ferenc Kárpát tervezte és készítette [3].

A ring elrendezés előnye, hogy a módus csatolás - aminek következtében a folyamatos lézer működésből a rezonátor átvált impulzus üzemre - elindítása egyszerűen oldható meg egy rezgő tükörnek a rövidebb kar meghosszabbításában való elhelyezésével, amely létrehozza az induláshoz szükséges modulációt.

A lézer működése során a lézer energiáját, a kilépő nyaláb spektrumát és a nyalábképet vizsgáltuk. Az általunk összeállított mérési elrendezéssel ezen paramétereket egyidejűleg tudtuk vizsgálni. A mérések során arra kerestük a választ, hogy milyen hatással van a fókuszáló tükrök pozíciójának és elforgatásának mértéke a lézer működésére.

A mérések során kritikus paraméternek bizonyult a kristály hőmérsékletének stabilitása, amelyet egy vezérlő áramkör elkészítésével oldottunk meg. A rendszer bemelegedése így is 2 óra, ezután áll csak be a stabil működéshez szükséges egyensúly. A légáramlás szintén kibillentheti a rendszert a módus csatolásból, ezért egy kisméretű lamináris dobozzal vettük körül a kristályt, és a fókuszáló tükröket tartalmazó központi részt, melybe folyamatosan tiszta nitrogént áramoltatunk.

A rezonátor finom beállításával sikerült stabilizálni a módus-csatolt működést. Az eddigi mérések szerint az elért impulzusidő 10+-1 fs-nak adódott, a spektrum félérték szélessége pedig 100 nm.

Hivatkozások:

[1] Brabec, P.F. Curley, Ch. Spielmann, E. Wintner, A.J. Schmindt: Hard-aperture Kerr-lens mode locking, Opt. Soc. Am. B 10, 6 (1993)

[2] Lia Xu, Ch. Spielmann, F. Krausz, R. Szipöcs: Ultrabroad-band ring oscillator for sub-10 fs pulse generation, Opt. Lett. (1996)

[3] Szipöcs, K. Ferenc, Ch. Spielmann, F. Krausz: Chirped multilayer coatings for broadband dispersion control in femtosecond lasers, Opt. Lett. (1994)