Numerical modeling of dispersive and nonlinear pulse distortions in a cr2+:znse regenerative amplifier

Abstract

Cr2+:ZnSe kristali, oda sıcaklığında ve orta kızılaltı bölgesinde kısa darbe üretiminde vedarbe yükselteçlerinde kullanılan, birçok elverişli fiziksel özelliğe sahip bir katıhal kazançortamıdır. Bu kristal, geniş bir dalgaboyu aralığında kuvvetli uyarılı ışıma ara kesitine veoda sıcaklığında neredeyse birim kuantum verimliliğine sahiptir. Ancak, Cr:ZnSekristalinin yüksek değere sahip doğrusal olmayan kırınım katsayısı (n2=1.7x10-18 m2/W),kazanç ortamından geçmekte olan optik darbelerde faz bozulumuna sebep olmakta ve budurum, bazı uygulamalar için dezavantaj yaratabilmektedir. Lazer darbe yükselteçlerinintasarımında, darbeleri bozulmasına neden olan etkilerin hesaplanması, en uygun sıkıştırmayöntemini belirleyebilmek adına oldukça önemlidir. Bu çalışmada, sayısal modellemeyöntemleri kullanılarak, üretilen darbelerin rejeneratif yükselteç içerisinde ilerlerken sahipolduğu güç ve dispersiyona bağlı genişlemeleri incelenmiştir. Frantz-Nodvik denklemleri,faz modülasyonu ve darbe profil biçimini bozan etkiler dahil edilerek genelleştirilmiş veGauss profiline sahip bir darbe için sayısal hesaplamalarda kullanılmıştır. Sonuç olarak,Cr2+:ZnSe rejeneratif yükseltecileri için, darbe sıkıştırıcısının sahip olması gereken idealdispersiyon miktarını ve darbenin yükselteçten çıkartılması için gerekli en uygun zamanıhesaplayan sayısal bir program geliştirilmiştir. Deneysel veriler kullanılarak, darbeyükseltecinin uyarılı ışınım kesiti ve darbenin sahip olduğu artı dispersiyon miktarı buçalışmada geliştirilen program ile başarılı bir şekilde hesaplanmıştır. Sayısal programkullanılarak yapılan hesaplamalarda, Cr2+:ZnSe kazanç ortamı için en uygun uyarılı ışınımarakesit değeri 2.06x10-24 m2 olarak belirlenmiştir

Cr2+:ZnSe is an attractive gain medium for ultra-short pulse generation and amplification inthe mid IR spectrum at room temperature. It shows a high and broadband stimulatedemission cross section coupled with a quantum yield of almost unity. A drawback is theexceptionally high nonlinear refractive index of 1.7 10-18 m2/W, which makes itsusceptible to self-phase modulation effects. In amplifiers the pulse shaping effects shouldbe calculated to make an ideal recompression possible. In the thesis work presented here,we demonstrate a numerical approach to determine both the pulse power and the dispersivebroadening of a pulse, while it is propagating in a regenerative amplifier. The Frantz-Nodvik equations were extended by accounting for distortion effects from self-phasemodulation and media dispersion for a Gaussian pulse. The result is a numerical code thatdetermines the ideal extraction time and the ideal compressor dispersion for a Cr2+:ZnSeregenerative amplifier. The code has been successfully used with experimental results toestimate the stimulated emission cross section of the amplifier gain medium and theamount of chirp in the pulse. The best-fit value of the stimulated emission cross section forthe Cr2+:ZnSe medium was determined to be 2.055 10-24 m2.