Rev. Phys. Appl. (Paris) 22, 1639-1650 (1987)
DOI: 10.1051/rphysap:0198700220120163900

Evolution of chirped light pulses and the steady state regime in passively mode-locked femtosecond dye lasers

V. Petrov, W. Rudolph et B. Wilhelmi

Physics Department, Friedrich-Schiller University, 6900 Jena, G.D.R.

Abstract
A numerical model of passive mode-locking of dye lasers is presented that allows one to study the temporal evolution of modulus and phase of ultrashort light pulses as well as to determine the pulse parameters and the laser frequency of the steady state under various conditions. The round trip equation derived takes into account the full system of density matrix and Maxwell equations for the light-matter interaction where accordingly no limiting assumptions on the pulse parameters are necessary. A possibly occurring photoisomer form of the absorber dye, group velocity dispersion, intensity dependent self-phase modulation and linear loss are included in the model to simulate the most essential mechanisms responsible for the steady state pulse regime in present femtosecond dye lasers. In addition, from a more general point of view passive mode-locking is analysed with respect to coherent pulse propagation through the resonant media.

Résumé
Un modèle numérique pour les lasers à colorant à blocage en phase des modes passifs est présenté qui permet d'étudier l'évolution temporelle du module et de la phase des impulsions lumineuses ultrabrèves et de déterminer les paramètres d'impulsion et la fréquence laser du régime stationnaire sous différentes conditions. L'équation de boucle déduite prend en compte le système complet de la matrice densité et des équations de Maxwell pour l'interaction lumière-matière où aucune hypothèse restreignante sur les paramètres d'impulsion n'est donc nécessaire. Une forme possible de photoisomère du colorant absorbant, la dispersion de vitesse de groupe, l'automodulation de phase dépendant de l'intensité et les pertes linéaires sont comprises dans le modèle pour simuler les mécanismes les plus essentiels responsables du régime pulsé stationnaire dans les lasers à colorant femtosecondes actuels. De plus, d'un point de vue plus général le blocage en phase des modes passifs est analysé relativement à la propagation d'impulsions cohérentes dans le milieu résonant.

PACS
4255M - Lasing action in liquids and organic dyes.
4260F - Laser beam modulation, pulsing and switching: mode locking and tuning.
4280W - Ultrafast optical techniques.
4320E - Liquid lasers and organic dye lasers.

Key words
dye lasers -- laser mode locking -- laser theory -- density matrix equations -- passively mode locked femtosecond dye lasers -- numerical model -- temporal evolution -- pulse parameters -- laser frequency -- Maxwell equations -- light matter interaction -- photoisomer -- absorber dye -- group velocity dispersion -- intensity dependent self phase modulation -- linear loss -- steady state pulse regime -- passive mode locking -- coherent pulse propagation -- resonant media