Фемтосекундные лазеры как источники накачки

Фемтосекундные лазеры, генерирующие импульсы длительностью порядка 10⁻¹⁵ с, представляют собой ключевой инструмент в аттосекундной физике. Их главная особенность заключается в способности создавать ультракороткие световые импульсы с чрезвычайно высокой пиковой мощностью, что позволяет инициировать нелинейные процессы взаимодействия света с веществом, включая генерацию гармоник высокого порядка (HHG), лежащую в основе получения аттосекундных импульсов.

Импульсы фемтосекундных лазеров характеризуются следующими параметрами:

• Длительность: от нескольких десятков до сотен фемтосекунд.
• Спектральная ширина: благодаря соотношению неопределённости частота–время, короткая длительность сопровождается широкой полосой спектра.
• Пиковая мощность: может достигать тераваттных значений при относительно малой энергии импульса (несколько миллиджоулей).
• Когерентность: высокая временная и пространственная когерентность делает их пригодными для интерференционных экспериментов и формирования аттосекундных пакетов.

Принцип работы фемтосекундных лазеров

Фемтосекундные лазеры чаще всего базируются на технологии модовой синхронизации (mode-locking), при которой внутри резонатора фиксируется фаза между всеми продольными модами. В результате их суперпозиции возникает короткий во времени, но интенсивный импульс.

Используются несколько типов активных сред и схем генерации:

• Титан-сапфировые лазеры (Ti:Sa) – наиболее распространённые, обеспечивают импульсы 20–100 фс при центральной длине волны около 800 нм.
• Волоконные фемтосекундные лазеры – компактные, с высокой стабильностью, применяются для прецизионных экспериментов.
• OPCPA-системы (усиление параметрическим преобразованием) – позволяют получать импульсы с энергией в несколько миллиджоулей и длительностью <10 фс.

Компрессия импульсов

Для достижения ещё более коротких импульсов применяются методы компрессии. При прохождении через нелинейные среды (например, газовые ячейки, кристаллы, фотонные кристаллические волокна) спектр импульса расширяется за счёт самофазовой модуляции (SPM). Далее с помощью дисперсионных элементов (решёток, призм, чирпированных зеркал) импульс сжимается до десятков фемтосекунд и менее.

Таким образом, именно комбинация нелинейного спектрального уширения и дисперсионной компенсации позволяет подготавливать импульсы, близкие к предельным по длительности, которые затем служат накачкой для генерации аттосекундных вспышек.

Роль в генерации гармоник высокого порядка

Фемтосекундные лазеры обеспечивают необходимые условия для нелинейного процесса HHG (High-Harmonic Generation) в газах. При взаимодействии с сильным полем атомы ионизируются туннельным механизмом, электроны ускоряются полем лазера и затем рекомбинируют с родительским ионом, испуская высокоэнергетический фотон.

Ключевые моменты, обеспечиваемые фемтосекундными лазерами:

• Интенсивность порядка 10¹⁴–10¹⁵ Вт/см², достаточная для туннельной ионизации.
• Стабильность фазы несущая–огибающая (CEP), критичная для формирования единичных аттосекундных импульсов.
• Широкополосность спектра, позволяющая контролировать процесс излучения и его временную структуру.

Управление фазой несущая–огибающая (CEP)

Для реализации аттосекундных экспериментов крайне важно контролировать относительное положение фазы колебаний светового поля внутри огибающей импульса. Даже при фиксированной длительности фемтосекундного импульса изменение CEP радикально влияет на динамику ионизации и излучения гармоник.

Методы стабилизации CEP включают:

• использование частотных гребёнок;
• активную обратную связь с помощью электрооптических схем;
• фазовую синхронизацию в параметрических усилителях.

Масштабирование энергии и усиление импульсов

Для задач аттосекундной физики необходимы как высокоэнергетические импульсы (для накачки HHG в газах и твёрдых телах), так и источники с высокой частотой повторения (для спектроскопических экспериментов). Эти задачи решаются разными подходами:

• CPA (Chirped Pulse Amplification) – метод растяжки, усиления и компрессии импульсов, позволяющий избежать разрушения активной среды.
• OPCPA – параметрическое усиление в нелинейных кристаллах, обеспечивающее как высокую энергию, так и широкий спектр.
• Гибридные схемы – комбинирование CPA и OPCPA для получения как высокой мощности, так и стабильности фазы.

Современные тенденции развития

Фемтосекундные лазеры продолжают развиваться в нескольких направлениях:

• Укорочение длительности импульсов до нескольких оптических циклов.
• Повышение стабильности CEP для воспроизводимых аттосекундных экспериментов.
• Компактные лазерные системы на базе волоконных технологий, пригодные для лабораторных установок.
• Мощные OPCPA-системы для накачки HHG в экстремальных условиях (рентгеновский диапазон).

Фемтосекундные лазеры стали универсальной платформой, обеспечивающей не только генерацию аттосекундных импульсов, но и возможность прямого управления электронной динамикой в атомах, молекулах и твёрдых телах. Их роль в современной аттосекундной физике заключается в создании исходных условий, при которых возможна реализация экспериментов с субфемтосекундным временным разрешением.