Spettrometro per FROG


Il laser ad impulso ultrabreve è ormai un prodotto tecnologicamente maturo adottato già da diversi centri di ricerca ed Università. Grazie alle numerose applicazioni possibili nel campo della chimica, fisica e biologia come strumento per l’analisi ottica e lo studio di fenomeni molto veloci se ne prospetta un uso crescente anche in ambito industriale. Diventa essenziale a questo punto garantirne la qualità e la durata del fascio, mediante l’apposita tecnica FROG (Frequency-resolved Optical Gating). GHT Photonics, collaborando con alcune università per lo sviluppo di sistemi di questo tipo, ha dimostrato l’applicabilità a questo fine degli spettrometri Ocean Optics serie HR.


  1. Materiali e metodi

    • Spettrometro Ocean Optics HR custom

    • La serie di spettrometri HR di Ocean Optics è costituita dagli strumenti HR4000 e HR2000, i quali si differenziano soprattutto per le specifiche del detector e dell’elettronica di controllo montati. Con il loro minimo ingombro in dimensioni e peso, rispettivamente 150 x 105 x 45mm e 570g, gli spettrometri HR sono in grado di raggiungere risoluzioni sub-nanometriche fino a 0,02nm FWHM con velocità di output che arrivano a 1’000 spettri al secondo.
      Le applicazioni FROG spesso richiedono il massimo della risoluzione in un piccolo intervallo spettrale ma in alcuni casi si desidera avere informazioni su più ordini spettrali. La serie HR è facilmente customizzabile per soddisfare queste diverse richieste: una scelta di più di 10 reticoli di diffrazione, ognuno a sua volta regolabile su un particolare intervallo spettrale, permette di selezionare esattamente la copertura desiderata, ottimizzando contemporaneamente la risoluzione.
      Queste caratteristiche rendono l’HR un ottimo spettrometro per tutta una serie di applicazioni laser oltre alla FROG, dalla semplice determinazione della lunghezza d’onda d’emissione alla stabilità in potenza allo studio dell’interazione della radiazione laser con campioni. Lo spettrometro HR risulta così particolarmente flessibile, visto che una stessa unità, per giunta facilmente trasportabile, può assolvere a diverse funzioni entro lo stesso laboratorio.

    • Sfera integratrice

    • La sfera integratrice è un’utile ottica da accoppiare allo spettrometro per prove di caratterizzazione di sorgenti laser. Essa diffonde la luce incidente all’interno di una cavità sferica in spectralon a sua volta accoppiata con lo spettrometro, rendendo il sistema di misura immune ad effetti dipendendi ad esempio dalla polarizzazione del fascio laser o dalla forma spaziale dello spot. In questo modo è inoltre possibile ottenere misure esatte della potenza emessa.

    • Software

    • Un setting FROG richiede oltre allo spettrometro un insieme di altri strumenti che devono comunicare tra loro. L’interfaccia I/O e i software di gestione di funzionamento e dati offerti da Ocean Optics permettono di assolvere a questa necessità: le porte I/O dello strumento possono essere usate per passare i dati a diversi dispositivi, per accettare o inviare un segnale di triggering, per modificare le modalità di funzionamento. E’ possibile anche scrivere programmi di controllo dello spettrometro con linguaggi quali C, C++, LabView, Delphi, Visual Basic.

  2. Realizzazione dell’esperimento

  3. Il metodo FROG basa il suo funzionamento sull’interazione generata da due impulsi identici su un mezzo con non-linearità di terzo ordine. I due impulsi dipartono da un beam splitter che divide l’impulso ultrabreve originario, entrambe le parti seguono poi un cammino ottico di uguale lunghezza, salvo che lungo uno dei due cammini è presente uno stadio ritardante, che permette di allungare il tragitto su scala micro o nanometrica. Entrambi i cammini ottici convergono alla fine sul mezzo non-lineare, che a seconda dell’interazione dei due impulsi al suo interno trasmetterà un segnale che dimostrerà o meno la presenza di effetti di terzo ordine. Questo metodo consente quindi di calcolare la lunghezza e la durata dell’impulso laser ultrabreve, direttamente collegate all’intervallo dei ritardi immessi dallo stadio apposito entro i quali si continui a verificare l’interazione di terzo ordine. Un setting FROG opportunamente avanzato sia dal punto di vista hardware che software permette infine di ottenere informazioni anche sulla forma dello spot laser.

    In questo setting lo spettrometro HR di Ocean Optics viene utilizzato per la misura della trasmissione del mezzo non-lineare, permettendo di discriminare le posizioni dello stadio ritardatore per le quali avviene l’interazione nell’elemento non-lineare. Utilizzando ad esempio i driver LabView per il controllo dello spettrometro, è anche possibile automatizzare il procedimento, stabilendo una linea di feedback che lo colleghi allo stadio ritardatore, permettendo al contempo all’operatore di avere una visione d’insieme e facilmente controllabile dell’intero setting sperimentale.

    Lo stesso spettrometro può poi essere usato per molte altre applicazioni all’interno dello stesso e di altri setting, ad esempio per la visualizzazione della forma spettrale dell’impulso compresi gli ordini maggiori e della sua stabilità in potenza.

  4. Conclusioni

  5. La tecnica FROG è semplicemente e convenientemente implementabile con uno spettrometro Ocean Optics, il quale offre al contempo dei dati precisi, l’automazione del sistema, il contenimento dei costi e della complessità del sistema, nonché la flessibilità di uno strumento che può essere facilmente spostato per assolvere ad altre funzioni. La realizzazione di un’analisi FROG è a sua volta necessaria per garantire il corretto funzionamento del laser ad impulso ultrabreve.

  6. Ulteriori applicazioni

    Applicazioni simili per lo spettrometro ad alta risoluzione HR sono:

    Se si desidera maggiori informazioni su questa e altre possibili applicazioni degli strumenti offerti da GHT Photonics, lo staff del settore analisi ottica sarà lieto di rispondere alle vostre richieste.

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