Лазеры на иттербии и других активных средах

Особенности активных сред на основе иона Yb³⁺

Иттербий (Yb³⁺) стал одной из наиболее перспективных активных сред в лазерной физике благодаря простоте энергетической схемы и низкому уровню паразитных процессов. Основное излучение реализуется в переходе между мультиплетами ²F₅/₂ → ²F₇/₂, что обеспечивает широкую полосу люминесценции (около 100 нм), пригодную для генерации и усиления сверхкоротких импульсов.

Ключевыми преимуществами Yb³⁺ по сравнению с традиционным Ti:Sa являются:

  • низкий квантовый дефект (разность между энергией накачки и энергией фотона генерации), что снижает тепловую нагрузку;
  • высокий коэффициент квантовой эффективности;
  • широкий спектральный диапазон излучения (980–1100 нм);
  • возможность работы в волоконных, керамических и кристаллических средах.

Спектральные свойства и ширина полосы излучения

Полоса усиления Yb³⁺, в зависимости от матрицы, может варьироваться от узкой (Yb:YAG, ширина около 10 нм) до очень широкой (Yb:фториды, Yb:кальций-фторид), где ширина достигает десятков нанометров. Это позволяет использовать такие лазеры не только в непрерывном режиме, но и в генерации фемто- и аттосекундных импульсов при применении методов компрессии и синхронизации фазы.

Особое значение имеет возможность работы иттербиевых лазеров в режиме дисперсионного балансирования, когда групповая дисперсия среды компенсируется отрицательной дисперсией элементов резонатора. Это позволяет стабилизировать генерацию импульсов в диапазоне десятков фемтосекунд.

Волоконные лазеры на иттербии

Одним из наиболее интенсивно развивающихся направлений являются Yb-волоконные лазеры. Их главные достоинства:

  • высокая эффективность охлаждения благодаря большой площади поверхности волокна;
  • высокая степень направленности пучка;
  • возможность накачки полупроводниковыми диодами;
  • простота масштабирования мощности.

Именно волоконные иттербиевые лазеры сегодня используются как источники сверхмощных импульсов, которые после компрессии могут достигать пиковых мощностей порядка сотен тераватт. При этом сохраняется высокая стабильность и компактность установки.

Дисковые и тонкопленочные иттербиевые лазеры

Помимо волоконных систем, большое развитие получили Yb:YAG дисковые лазеры, где активная среда выполнена в виде тонкого диска, охлаждаемого с обратной стороны. Такой подход минимизирует тепловые искажения и позволяет увеличивать мощность при сохранении качества пучка. Дисковые лазеры широко применяются в системах генерации гармоник высокого порядка и в установках для аттосекундных экспериментов.

Иттербий против титан-сапфира

Хотя Ti:Sa-лазеры традиционно считались «золотым стандартом» для сверхкоротких импульсов благодаря широкой полосе усиления (650–1100 нм), их недостатки очевидны: громоздкая система накачки (обычно аргоновые или другие газовые лазеры, либо Nd:YAG), высокий квантовый дефект и значительные тепловые потери. На этом фоне Yb-лазеры, работающие на диодной накачке, обеспечивают:

  • компактность;
  • высокую эффективность;
  • более простую эксплуатацию;
  • потенциал для масштабирования мощности до десятков киловатт в среднем режиме.

Другие активные среды для аттосекундной физики

Хотя Yb³⁺ является ключевой рабочей ионной системой, важную роль играют и другие материалы:

  • Nd³⁺ (неодимовые лазеры) – излучение вблизи 1064 нм, высокая стабильность, но более узкая полоса усиления, что ограничивает применение в аттосекундной физике.
  • Er³⁺ (эрбиевые лазеры) – излучение в диапазоне 1.5–1.6 мкм, активно применяются в телекоммуникациях и для накачки нелинейных кристаллов.
  • Tm³⁺ и Ho³⁺ (тулиевые и гольмиевые лазеры) – работают в диапазоне 2 мкм, что делает их привлекательными для генерации средне-ИК импульсов и исследования процессов ионизации с пониженным повреждающим эффектом.
  • Cr²⁺ и Cr³⁺ (хромсодержащие лазеры) – обладают очень широким спектром усиления (например, Cr:ZnSe), что потенциально позволяет получать импульсы с длительностью менее 20 фс в среднем ИК-диапазоне.

Применение в аттосекундной физике

Иттербиевые лазеры, благодаря высокой энергии импульсов и высокой частоте повторения, стали основой для систем генерации гармоник высокого порядка (HHG), которые лежат в основе аттосекундной науки. При этом важнейшими факторами являются:

  • стабильность длительности и формы импульсов;
  • возможность масштабирования частоты повторения (для прецизионных измерений в спектроскопии);
  • высокая средняя мощность, необходимая для накачки нелинейных сред.

Современные системы на Yb:YAG и Yb-волокнах способны обеспечивать комбинацию высокой энергии на импульс (миллиджоулевые уровни) и мегагерцовых частот повторения, что открывает возможность наблюдать электронную динамику в реальном времени с беспрецедентным разрешением.

Оглавление