PROCEDIMIENTO DE AMPLIFICACIÓN CON DERIVA DE FRECUENCIA ESPACIO-TEMPORAL Y DISPOSITIVO DE PUESTA EN PRÁCTICA.

Procedimiento de amplificación con deriva de frecuencia espacio-temporal para un láser pulsado,

que comprende una cadena de amplificación con deriva de frecuencia, caracterizado porque consiste en la secuencia: extender temporalmente los pulsos, ensanchar espacialmente las diferentes componentes espectrales de dichos pulsos, amplificar por separado estas diferentes componentes, y después comprimir espacial y temporalmente los pulsos amplificados

La presente invención se refiere a un procedimiento de amplificación con deriva de frecuencia espacio-temporal para un láser pulsado que comprende una cadena de amplificación con deriva de frecuencia, denominada CPA (Chirped Pulse Amplification).

La realización de láseres pulsados, de tipo zafiro dopado con titanio, con potencia máxima muy alta, requiere controlar espectros muy grandes para disminuir las duraciones de los pulsos en la salida de la cadena de amplificación.

Con el fin de extraer la mayor parte de la energía almacenada en los medios amplificadores, estos últimos se utilizan a menudo en un régimen próximo a la saturación. Esta saturación provoca desgraciadamente en las cadenas con deriva de frecuencia un desplazamiento espectral que limita la banda total.

Una solución clásica para evitar el estrechamiento espectral es utilizar una compensación previa, al comienzo de la cadena (antes del amplificador regenerativo o multipaso). Esta solución basada en filtrado tiene el inconveniente de limitar el rendimiento de extracción de los amplificadores y es tanto menos eficaz cuanto mayor es el número de pasos en los amplificadores.

Con más detalle, las cadenas CPA ponen en práctica la tecnología con deriva de frecuencia que se basa en el uso de pulsos de gran espectro, la extensión de los pulsos, la amplificación y la nueva compresión de estos pulsos extendidos. Normalmente, en las cadenas CPA basadas en osciladores que comprenden cristales de Ti:Sa que tienen un espectro de una anchura de 5 a 100 nm, para duraciones de pulsos comprimidos de 150 a 10 fs.

La capacidad de una cadena de amplificación para mantener un espectro correcto influye directamente en la capacidad del láser para funcionar con pulsos cortos. El estrechamiento espectral inducido por los amplificadores es por tanto un factor clave para la obtención de rendimientos de duración corta. Asimismo, una fuerte deformación de espectro, por ejemplo asimétrica, perturba la forma temporal y degrada el funcionamiento del láser.

Los amplificadores utilizados son de tipo de n pasos del haz en el medio amplificador. Cuando n es pequeño (inferior a 10) generalmente se utiliza la configuración geométrica multipaso. El láser de bombeo envía un pulso al cristal y el haz que va a amplificarse se envía a continuación y se efectúan n pasos para optimizar la extracción de energía.

Se esquematiza en la figura 1 un amplificador multipaso de este tipo, que comprende esencialmente un cristal 1 (por ejemplo de Ti:Sa) que recibe desde un espejo de entrada ME pulsos de entrada con diferente ángulo con respecto a la normal en su superficie de incidencia, y varios espejos de retorno M1 a M7 dispuestos a ambos lados del cristal 1 de modo que se hace que el haz atraviese el cristal con diferentes ángulos de incidencia, reenviando el último espejo M7 este haz hacia la salida a través de un espejo de salida MS.

Cuando se busca un factor de amplificación importante, hay que aumentar el número de

pasos y la configuración de la figura 1 ya no es aplicable. La configuración utilizada

generalmente es entonces el amplificador regenerativo, del que se esquematiza un ejemplo de realización en la figura 2. Este tipo de amplificador permite realizar fácilmente una treintena de pasos. Un amplificador de este tipo se conoce por ejemplo a partir del documento US 2004/0 000 942 A.

El sistema representado en la figura 2 comprende un cristal 2 dispuesto, con una célula 3 de Pockels, en una cavidad óptica cerrada por dos espejos 4, 5 y bombeado por una bomba

6. Un polarizador 7, dispuesto en la cavidad, permite retener una parte del haz dentro de la cavidad, pasando el haz retenido por una placa 8 de media onda, un espejo 9 de retorno y un rotador 10 de Faraday en cuya salida un espejo 11 semitransparente lo reenvía hacia su uso (haz Eout). Por otra parte, el polarizador 7 permite aplicar en esta cavidad un haz exterior Ein.

En los dos casos (figuras 1 y 2), la ganancia del amplificador se escribe como:

**(Ver fórmula)**

siendo JSTO la fluencia almacenada disponible para la ganancia en el medio (el cristal) y JSAT la fluencia de saturación de este medio. Es la ecuación clásica de la teoría de Frantz y Nodvick. En la siguiente tabla figuran algunos ejemplos de valores de JSAT para diferentes materiales de láseres:

En régimen de baja señal, con JIN << JSAT, puede aproximarse la relación de ganancia

con:

**(Ver fórmula)**

Al extenderse (dispersarse) el pulso amplificado, lo más frecuentemente de manera positiva, el solicitante ha puesto de manifiesto un problema. En efecto, las cadenas de pulsos 5 cortos utilizan un oscilador de gran espectro y estos pulsos cortos se extienden temporalmente para amplificarse a continuación y volverse a comprimir en la salida. Se representa esquemáticamente una cadena de este tipo en la figura 3, comprendiendo esta cadena esencialmente un oscilador 12, un extensor 13, una o varias etapas 14 de amplificación y un dispositivo 15 de compresión. Se ha representado un ejemplo de espectro de una señal de oscilador de Ti:Za en la figura 4, en la que la fase espectral está representada con trazo continuo.

Cuando el impulso penetra en el amplificador, las componentes espectrales iniciales ven una ganancia g1 y se amplifican. Las siguientes componentes que están en el amplificador ven por tanto una ganancia g2 que ha disminuido porque el inicio del pulso ha “consumido”

15 energía almacenada. La forma temporal de la ganancia tiene una forma del tipo representado en la figura 5. Se tiene una ganancia inicial para la primera parte temporal de la forma:

**(Ver fórmula)**

y una ganancia final, que tiene en cuenta la energía extraída, de la forma:

**(Ver fórmula)**

siendo Jex la fluencia extraída del amplificador.

La ganancia aparente es por tanto más elevada para el inicio temporal de la señal que

para el final, lo que induce una deformación espectral de la señal amplificada, según se

representa en la figura 6. La curva de la figura 6 muestra el efecto de modificación de la ganancia de un cristal de láser debido a la extensión temporal de los pulsos que van a amplificarse. Esta curva proporciona el valor de la ganancia ponderada (ganancia relativa, como para todas las demás curvas de ganancia) en función de la longitud de onda de la señal amplificada.

La figura 7 muestra dos curvas de desplazamiento de la ganancia debido a la extensión 30 temporal en función de la longitud de onda, respectivamente para un paso y para cuatro pasos a través del cristal.

Además del desplazamiento del espectro, también se observa un estrechamiento debido al ancho de la banda de ganancia.

La combinación de estos dos efectos va a limitar por tanto enormemente los rendimientos de las cadenas con deriva de frecuencia, porque limita la nueva compresión de los pulsos incidentes con vistas a obtener en la salida pulsos de duraciones muy cortas, por ejemplo de una duración de algunos fs.

Para compensar estos efectos, se puede proceder a una distorsión previa de la señal de entrada mediante filtrado activo o pasivo a costa de una disminución del rendimiento del láser (degradación de la ganancia). Además, los filtros utilizados tienen rendimientos bajos (<50%) puesto que actúan (cortan) espectralmente al máximo de energía.

Una segunda solución consistiría en hacer funcionar los amplificadores lejos de la saturación, pero en este caso disminuye enormemente la energía que puede extraerse del amplificador. Además, la estabilidad del pulso en la salida depende entonces enormemente de la estabilidad del pulso de entrada.

La presente invención tiene por objeto un procedimiento definido en la reivindicación 1 que permite optimizar el funcionamiento de amplificadores ópticos, en particular los de cadenas de láser CPA, prácticamente sin pérdida de energía y sin alteración del espectro de los pulsos producidos. La presente invención también tiene por objeto un dispositivo definido en la reivindicación 3 de puesta en práctica de este procedimiento.