Sistema de conformación temporal III: sistema experimental

Las características del montaje experimental se han diseñado siguiendo unas pautas con el fin de alcanzar un rendimiento óptimo y simultáneamente respetar los umbrales de dañado de los elementos ópticos del sistema, ya que se trata de un sistema que opera con pulsos amplificados. Inicialmente se trabajó con un diseño de temporal pulse shaper compacto compuesto por redes de difracción con alta densidad de líneas (2000 líneas/mm) y focales cortas (258 mm). Posteriormente se construyó un nuevo sistema que se adapta mejor a la operación con pulsos láser de alta energía (1400 líneas/mm y f = 1 m). En la siguiente tabla se muestran los parámetros más relevantes de cada configuración. (TS inicial se denota como TS compacto y el sistema mejorado se indica como TS actual).

Parámetros del sistema óptico TS compacto TS actual Longitud de onda 800 nm 800 nm

Red de difracción 2000 líneas/mm 1400 líneas/mm

Periodo 5·10-7 mm 7.14·10-7 mm

Ángulo Littrow 53.13˚ 34.00˚

Ángulo incidente 53.12˚ 53.12˚

Ángulo refractado 53.14˚ 53.14˚

Desviación -0.02˚ -0.02˚

Espectro (FWHM/pedestal) 8 nm anchura 13.5 nm pedestal

8 nm anchura 13.5 nm pedestal

Diámetro del haz 8 mm 8 mm

Focal de los espejos cilíndricos 258 mm 1000 mm

Las ecuaciones que rigen el comportamiento del sistema 4f [Bri01] han permitido diseñar el sistema con la resolución espectral deseada dentro de los márgenes que fijan el ancho de banda espectral, el SLM utilizado y los umbrales de

dañado de los elementos ópticos. Como ya se ha comentado la primera red dispersa angularmente las frecuencias del haz entrante, de modo que considerando la propagación de un haz Gaussiano, la anchura de cada componente espectral en el plano de Fourier se expresa como:

i o s i o x f x        cos cos 2 ln 2 (3.8)

con θi y θd como los ángulos de incidencia y refracción, f la focal del espejo

cilíndrico y λo la longitud de onda central. La resolución espectral del sistema

relaciona con la resolución espacial a través de la siguiente relación: 

x_o / (3.9) donde α es el factor de conversión del espacio de frecuencias al espacio de distancia en el plano de Fourier, la cual depende de la geometría del sistema y de las características del láser, siendo d el periodo de la red de difracción en mm-1_.

d o cd f     cos 2 2  (3.10)

La figura 3.7 muestra un esquema con todos los parámetros del sistema red-lente y cómo se distribuyen las diferentes frecuencias en el plano de Fourier.

Figura 3.7: Esquema de la sección de entrada del TS con los parámetros relevantes.

Se puede ver que la extensión espacial asociada a cada componente espectral (Δxo) viene descrita por la función:

2 2 ln 2

)

(



e

x

g

A partir de estas fórmulas se puede diseñar el sistema de conformado temporal, partiendo por ejemplo de la resolución espectral deseada en el plano de Fourier, de la extensión espacial de cada componente o del tamaño del haz para trabajar por debajo del umbral de dañado. En nuestro caso elegimos una relación favorable entre la resolución espacial Δxo en el plano de Fourier y el rango de Rayleigh. En un primer paso para el cálculo se introduce un valor de Δxo deseado, en nuestro caso de 100 µm, lo cual es equivalente a un pixel del SLM. Con este valor para Δxo y fijando un parámetro de red estándar (1400 líneas/mm) se puede estimar la focal de la lente cilíndrica que se debe utilizar, resultando en nuestro caso aproximadamente 1 m. Una vez calculados los valores estimados con un valor Δxo elegido a priori, se introduce la focal estimada en las fórmulas para calcular las características del sistema 4f resultante. Las características del sistema de conformado actual (TS actual) y del sistema compacto (TS compacto) se presentan en la tabla siguiente.

Parámetros del sistema óptico TS compacto TS actual Ancho espectral total Δω 40 ps-1 40 ps-1

Resolución espectral δω 0.066 ps-1 0.189 ps-1

Resolución espacial Δxo 19.34 µm 53.54 µm

Ventana temporal (4·ln2/ δω) 41 ps 29 ps

Parámetro α 292µm·ps 566µm·ps

Focal de la lente cilíndrica 258 mm 1128 mm

Rango de Rayleigh 2.11 mm 40.49 mm

La figura 3.8 (a) muestra un esquema de la vista en planta del TS actual. El nuevo diseño del sistema de conformado de pulsos láser tiene múltiples ventajas. Una de las más notorias es la gran profundidad de foco asociada a lentes de focal larga. Esto beneficia al sistema al hacerlo menos sensible a la posición del SLM en el plano de Fourier. Por otro lado la condición de telescopio cilíndrico de magnificación unidad para el sistema 4f se satisface con menos dificultad que para focales cortas. Ello permite mejorar el modo espacial del haz, minimizando el astigmatismo, y reducir a cero la dispersion residual del sistema tanto espacial como temporal. No solo la distribución espacial Gaussiana es importante, también lo es la ausencia de trino espacial; es decir que las frecuencias se recombinen correctamente en la segunda red distribuyéndose uniformemente a lo largo del

perfil espacial. La figura 3.8 (b) se muestra una foto del sistema experimental que se utiliza actualmente para conformar pulsos láser ultracortos.

Figura 3.8: (a) Esquema del montaje experimental del sistema de conformado temporal. Las

abreviaturas corresponden a: espejo plano EP, red de difracción RD, plano de Fourier PF, espejo cilíndrico EC y distancia focal f. (b) Foto del sistema experimental real con guías de color rojo.

3.1.4.b Características de los elementos ópticos del sistema TS actual

Umbrales de dañado del sistema:

Los elementos más susceptibles de dañado por láser son las redes de difracción y el área activa del SLM situado en el plano de Fourier. El umbral más bajo de ambos elementes que se tomo como referencia es el del SLM. El valor especificado por el fabricante (SLM-S320 (Jenoptik)) es de 1100 µJ/cm2 _{a 790 nm y ~1.8 kHz. El valor}

de fluencia máximo medido en el SLM para el sistema real fue de 625 µJ/cm2 _que

equivale a una energía de 60 µJ para una apertura de 3.5 mm de diámetro. Con ello se garantiza que el sistema permanece en zona de operación segura, siempre que

se utilice el tamaño nominal del haz que produce el amplificador ~8 mm. Cabe reseñarse que esta medida se efectuó en la zona central del espectro que es la más energética.

Eficiencia de operación de los elementos ópticos.

El rendimiento óptimo viene determinado por diferentes parámetros asociados a la configuración óptica del sistema.

En primer lugar, la transmisión global del sistema es de vital importancia a la hora de procesar materiales dieléctricos, ya que este parámetro dicta el rango de fluencias al que se podrá acceder durante los experimentos. La transmisión depende de la calidad y eficiencia de los elementos ópticos así como de su correcta alineación. Los espejos cilíndricos y planos están fabricados para que su incidencia óptima sea a 0˚ y 45˚ respectivamente, con una reflectividad superior al 95% para una longitud de onda de 800 nm.

Por otro lado las redes de difracción (SPECTROGON) poseen 1400

líneas/mm con un recubrimiento de oro y están optimizadas para difractar un haz

láser con una respuesta plana en longitudes de onda cercanas a 800 nm y polarización horizontal. La eficiencia de las redes para el primer orden de difracción con incidencia en ángulo Littrow es superior al 80%. Con los elementos seleccionados para la configuración del shaper e incluyendo dos espejos más a la entrada y salida del sistema, la transmisión de energía del conjunto es aproximadamente del 60%. En el caso del sistema de conformado actual el ángulo de incidencia en las redes de difracción se hace lejos del ángulo de Littrow lo que disminuye muy ligeramente la eficiencia de difracción. Ya que la respuesta de la red en función del ángulo de incidencia es prácticamente plana en un intervalo relativamente amplio en el entorno del ángulo de Littrow. Asimismo el tamaño de los elementos se ha diseñado teniendo en cuenta las variaciones de tamaño del haz en el recorrido del TS. Por ello los espejos (EP y EC) son de 50 mm de ancho, lo que excede la anchura del haz dispersado angularmente por la RD a 1000 mm.