Формирование и контроль лазерных импульсов

Основные принципы генерации сверхкоротких импульсов

Формирование аттосекундных импульсов в физике тесно связано с фундаментальными принципами нелинейной оптики и управлением фазовыми характеристиками света. Ключевым условием для получения импульсов длительностью порядка десятков или сотен аттосекунд является способность генерировать и контролировать сверхширокие спектры, необходимые для временной локализации волнового пакета.

Для генерации используются лазеры на основе кристаллов Ti:Sa (титан-сапфир), обладающие чрезвычайно широкой полосой излучения в видимом и ближнем инфракрасном диапазоне. Эти лазеры позволяют достичь длительностей фемтосекундного уровня, которые затем подвергаются процессам сжатия и преобразования в аттосекундную область.

Компрессия и управление дисперсией

Одним из главных факторов, определяющих длительность импульсов, является групповая скорость дисперсии (GVD). Дисперсия среды растягивает импульс, разделяя частоты по времени. Для формирования аттосекундных импульсов необходимо тщательное управление дисперсией:

• Гратинговые компрессоры используются для компенсации хроматической дисперсии и сжатия импульса до минимально возможной длительности.
• Призматические компрессоры обеспечивают более тонкую настройку, позволяя управлять как второй, так и более высокими дисперсионными производными.
• Чирпированные зеркала (chirped mirrors) являются ключевым элементом в современном контроле импульсов, так как они позволяют компенсировать как положительную, так и отрицательную дисперсию в широком спектральном диапазоне.

Управление дисперсией позволяет добиться так называемого трансформно-ограниченного импульса, при котором временная длительность соответствует максимально возможной для данного спектра.

Хирп и фазовое управление

Крайне важным аспектом является контроль фазовой структуры импульса. Даже при широком спектре, если фазовое распределение не согласовано, временной импульс будет растянут.

• Хирп — это зависимость мгновенной частоты от времени. При положительном хирпе более низкие частоты приходят раньше высоких, а при отрицательном — наоборот. Управление хирпом позволяет формировать оптимальные условия для дальнейших нелинейных преобразований.
• Компенсация групповой задержки (GDD) и управление более высокими фазовыми параметрами (TOD, FOD) критичны для достижения субфемтосекундной длительности.

Методы генерации аттосекундных импульсов

Аттосекундные импульсы формируются в результате процессов высоких гармоник (HHG, High Harmonic Generation), возникающих при взаимодействии мощных лазерных полей с газовой мишенью.

Этапы формирования:

1. Ионизация атома сильным лазерным полем.
2. Ускорение электрона в поле лазера.
3. Рекомбинация электрона с излучением фотона высокой энергии.

Этот процесс повторяется в каждом оптическом цикле, формируя аттосекундные всплески. Однако для получения одиночных аттосекундных импульсов необходимо применять специальные методы фазового и амплитудного контроля.

Техники формирования одиночных импульсов

• Метод синхронизации фазовой задержки (CEP – Carrier-Envelope Phase). Управление относительным сдвигом между огибающей импульса и несущей частотой позволяет формировать единичные всплески HHG.
• Фильтрация спектра. Использование многослойных зеркал или фильтров на основе тонких пленок позволяет выделять отдельные гармоники и сжимать их в аттосекундные импульсы.
• Двухцветные поля. Комбинирование основного лазерного излучения и его второй гармоники приводит к асимметрии в вероятности ионизации, что дает возможность контролировать форму излучаемых импульсов.

Контроль и измерение аттосекундных импульсов

Для точного использования аттосекундных импульсов в экспериментах необходимо измерение их длительности и фазы.

• Метод RABITT (Reconstruction of Attosecond Beating by Interference of Two-photon Transitions) основан на интерференции переходов с поглощением и испусканием фотонов, что позволяет восстанавливать фазовую структуру HHG.
• Метод стрик-камеры (Attosecond streaking) заключается в том, что аттосекундный импульс ионизирует электрон, а сопутствующее лазерное поле изменяет его кинетическую энергию, позволяя восстановить временную характеристику импульса.
• SPIDER и FROG-CRAB — усовершенствованные методы фазовой реконструкции, обеспечивающие высокую точность временной диагностики.

Роль фазового контроля в экспериментах

Без управления фазой огибающей (CEP) и точной компенсации дисперсии невозможно достичь стабильного формирования аттосекундных импульсов. Контроль CEP является ключевым инструментом для генерации повторяющихся по фазе импульсов, что необходимо в экспериментах по исследованию электронных динамических процессов.

Фазовый контроль также критичен для:

• исследования фотоэмиссионных процессов на временных шкалах порядка десятков аттосекунд,
• наблюдения туннельной ионизации в режиме сильного поля,
• точного управления электронными волновыми пакетами в атомах и молекулах.

Перспективы развития методов формирования импульсов

Развитие технологий формирования аттосекундных импульсов движется в направлении увеличения мощности и стабильности, расширения доступного спектрального диапазона (от вакуумного ультрафиолета до мягкого рентгена), а также совершенствования методов фазового контроля. Использование новых материалов для нелинейных преобразований, разработка усовершенствованных лазерных источников на среднем ИК-диапазоне и создание адаптивных оптических систем позволяют рассчитывать на существенное улучшение характеристик аттосекундных источников в ближайшие годы.