Chirped Multilayer Mirror Based on Silicon Nitride ... - OSA Publishing

1 downloads 0 Views 255KB Size Report
Abstract: Chirped multilayer mirror based on silicon nitride with air-gap interlayers is proposed and designed. The mirror provides high reflectivity and good ...
© 2008 OSA: COTA/ICQI/IPNRA/SL a530_1.pdf JMB35.pdf

Chirped Multilayer Mirror Based on Silicon   Nitride (Si3N4) With Air‐Gap Interlayers    I. A. Sukhoivanov , O.V. Shulika , S. O. Yakushev1, S. I. Petrov1, V.V. Lysak2,1  3,1

2

1

1Kharkov National University of Radio Electronics, Kharkov, Ukraine   Gwangju Institute of Science and Technology, Gwangju, Republic of Korea    3University Guanajuato, Salamanca, Mexico  [email protected][email protected]

  Abstract:  Chirped  multilayer  mirror  based  on  silicon  nitride  with  air‐gap  interlayers  is  proposed  and  designed.  The  mirror  provides  high  reflectivity  and  good  dispersion  properties in the range λ = 400–1200 nm supporting the few‐cycle pulses processing.  ©2008 Optical Society of America  OCIS codes: (230.1480) Bragg reflectors; (320.5520) Pulse compression; (320.5540) Pulse shaping 

1. Introduction and aim  Chirped  mirrors  (CMs)  are  widely  used  for  dispersion  control  and  compression  of  ultrashort  pulses  in  femtosecond lasers. The main trend of innovations in CM’s designing is increasing of mirrors bandwidth  and retaining of small phase ripples within this bandwidth at the same time. Recent applications of CMs  such  as  operating  on  few‐cycle  pulses  (pulse  duration  involves  only  few  periods  of  the  electrical  field)  require broader bandwidth and precise dispersion control. Titanium dioxide ( TiO2 ) and silicon dioxide  ( SiO2 ) are commonly used for the fabrication of CMs in the wavelength range around λ = 800 nm, where  Ti:Sapphire  lasers  oscillate.  However,  TiO2   does  not  support  a  broader  bandwidth  due  to  sizeable  absorption below λ = 500 nm; hence, new materials and design approaches are desirable. In this paper,  we present design of chirped mirror based on silicon nitride ( Si3 N 4 ) instead of titanium dioxide. Silicon  nitride has low absorption and continuous refractive index in the wide spectral range from the ultraviolet  to the near infrared. However, as well as other proposed materials ( Nb2 O5 , Ta2O5 , Hf 2O5 )  Si3 N 4  has  a  smaller  refractive  index  than  TiO2   (2.0  and  2.5  at  800  nm,  respectively)  and  therefore  total  refractive  index contrast is smaller. Owing to that the high reflectivity bandwidth of CM is restricted. In order to  avoid  this  problem  we  propose  substituting  of  SiO2   with  air‐gap  interlayers.  Due  to  the  smaller  refractive index of air as compared to  SiO2 , the total refractive index contrast of Si3 N 4 / Air  is kept high.      

© 2008 OSA: COTA/ICQI/IPNRA/SL a530_1.pdf JMB35.pdf

   

  b) 

a) 

Fig. 1.  Si3 N 4 ‐air‐gap CM design consisting of 54 layers. a) Layer thicknesses of the designed CM; b) Reflectance of the designed  CM (green line). Group delay dispersion of the designed CM (blue lines). Red line demonstrates target GDD‐line (undistorted  curve). 

2. Design of chirped mirror  We  have  designed  Si3 N 4 / Air   CM  which  consists  of  54  layers,  Fig.  1.  a).  Note  that  the  first  few  layers  close  to  the  surface  of  the  structure  are  rather  thin;  special  care  is  required  in  the  fabrication  of  these  layers.  Fig.  1.  b)  shows  spectral  characteristics  of  the  designed  CM.  The  mirror’s  bandwidth  covers  the  wavelength range from 400 to 1200 nm (1.5 octave), supporting a reflectivity of over 98 % in this range.   We  have  used  a  double‐chirped  technique  and  numerical  optimization  (conjugate  gradient  method)  in  order  to  suppress  phase  ripples.  The  amplitude  of  GDD  oscillations  around  the  undistorted  curve  is  about  80 fs 2 , with a GDD value of about  -17 fs2  at 800 nm.  3. Analysis of pulse compression with designed CM  In  order  to  estimate  the  capability  of  the  developed  CM  design,  we  have  performed  an  analysis  of  the  pulse  compression  in  the  time  domain.  A  sapphire  crystal  of  2.0  mm  in  length  was  selected  as  the  dispersion  source.  The  crystal  produces  a  GDD  value  of  115 fs 2 at  800  nm.  In  order  to  compensate  for  such dispersion, eight reflections from the designed CM were used. The duration of the initial transform‐ limited pulse was set at 5 fs (two periods of electrical field at 800 nm). This pulse was launched into the  sapphire  crystal  which  results  in  broadening.  Subsequent  pulse  compression  after  eight  reflections  was  calculated, resulting in the formation of the compressed pulse, Fig. 2. Comparing the pulse shapes shows  that compression with CM is rather strong but incomplete due to residual GD oscillations in the designed  CM.  This  problem  can  be  eliminated  using  more  complex  optimization  algorithms  or  performing  sophisticated CM designs. 

© 2008 OSA: COTA/ICQI/IPNRA/SL a530_1.pdf JMB35.pdf

 

  Fig. 2 Waveforms of initial transform‐limited, broadened 

Fig. 3 Dependence of pulse amplitude on the angle of incidence. 

incident, and compressed reflected pulses, respectively (Left‐

Red line – P‐polarization, green line – S‐polarization. 

Right). Insertion shows calculated polarization‐gate FROG  trace of the reflected pulse. 

Next we have examined an oblique incidence of laser pulse on the surface of CM. Dependence of the  pulse  amplitude  on  the  angle  of  incidence  shows  clearly  a  stability  of  developed  CM’s  design.  Fig.  3  0

shows  that  amplitude  of  the  reflected  pulse  doesn’t  decrease  sufficiently  until  10   in  case  of  P‐ polarization  state  of  incident  radiation.  If  incident  radiation  has  S‐polarization  state  amplitude  of  reflected  pulse  keeps  until 

200 .  Further  increasing  of  incident  angle  resulted  in  strong  decreasing  of 

reflected  pulse  amplitude  as  well  as  general  pulse  degradation.  The  reason  is  strong  rising  of  phase  oscillation amplitude owing to oblique incidence.   4. Conclusion  Chirped multilayer mirror based on silicon nitride with air‐gap interlayers is proposed and designed. The  mirror  consists  of  54  layers  and  provides  high  reflectivity  and  good  dispersion  properties  in  the  wavelength  range  λ  =  400–1200  nm  supporting  the  few‐cycle  pulses  processing.  The  subsequent  time‐ domain analysis of the pulse compression using the designed CM shows that our mirror provides good  reconstruction  for  initial  transform‐limited  pulse  of  5  fs,  giving  a  pulse  of  6.2  fs  FWHM  after  eight  0

bounces.  Numerical  calculations  show  that  designed  CM  provides  stable  pulse  compression  until  10   0

and  20  angle of incidence in case of P‐ and S‐polarization respectively.