Системы хирпированных импульсов

Хирпированные импульсы представляют собой ультракороткие лазерные импульсы, у которых частота излучения изменяется во времени. Термин chirp (от англ. “щебет”) описывает аналогию с изменением частоты звука в коротком интервале. В контексте аттосекундной физики хирпированные импульсы играют ключевую роль, так как позволяют управлять временной структурой световых пакетов и достигать экстремальных временны́х разрешений.

Импульс можно охарактеризовать как линейно-хирпированный, если его мгновенная частота возрастает или убывает линейно по времени. Более сложные, нелинейные формы хирпа используются для специальных задач, например, при управлении ионизацией или в экспериментах по когерентному контролю динамики электронов.

Хирпированные импульсы применяются для:

  • компрессии и удлинения фемтосекундных и аттосекундных импульсов,
  • управления фазой и амплитудой высоких гармоник,
  • согласования условий генерации аттосекундных пакетов,
  • предотвращения повреждения оптических компонентов при усилении.

Техника компрессии и растяжения импульсов

Формирование аттосекундных импульсов невозможно без применения технологии chirped pulse amplification (CPA). Она включает три ключевых этапа:

  1. Растяжение импульса (stretching). Короткий импульс пропускается через дисперсионные элементы (решётки, призмы или волоконные системы), в результате чего спектральные компоненты импульса расходятся по времени. Это уменьшает пиковую мощность и предотвращает повреждение усиливающей среды.

  2. Усиление (amplification). Растянутый импульс с низкой пиковой мощностью усиливается в лазерном усилителе, например в кристаллах Ti:Sa или Yb:YAG. Усиление проводится до уровня энергии, достаточного для последующей нелинейной генерации высоких гармоник.

  3. Компрессия (compression). После усиления импульс вновь пропускается через дисперсионную систему с противоположным знаком дисперсии, что восстанавливает короткую длительность при сохранении высокой энергии.

Эта методика позволила получить импульсы с длительностью в десятки и даже единицы фемтосекунд, а её дальнейшее развитие открыло путь к аттосекундной физике.

Управление дисперсией и фазовой модуляцией

Дисперсия различных порядков играет решающую роль в управлении хирпированными импульсами:

  • Групповая задержка (GDD, group delay dispersion). Определяет, насколько сильно растягивается импульс при прохождении через среду.
  • Третий порядок дисперсии (TOD). Вносит нелинейные искажения формы импульса, что особенно критично при достижении аттосекундных масштабов.
  • Управление спектральной фазой. С помощью активационных решёток, жидкокристаллических модуляторов и акустооптических устройств возможно создавать заданные профили chirp для оптимальной компрессии.

Современные системы используют активное управление фазой в реальном времени, что позволяет достигать сублинейных искажений и формировать практически трансформ-ограниченные импульсы (TL-пакеты).

Хирп и генерация гармоник высокого порядка

Генерация гармоник высокого порядка (HHG) в газах является основным механизмом получения аттосекундных импульсов. Спектральный chirp исходного лазерного импульса напрямую влияет на фазовое согласование гармоник и на форму временной структуры результирующего излучения.

  • При положительном chirp (увеличение частоты со временем) гармоники формируются с удлинённым аттосекундным пакетом.
  • При отрицательном chirp (уменьшение частоты со временем) возможно получение более коротких и когерентных импульсов.

Контроль величины chirp используется для:

  • оптимизации эффективности HHG,
  • подавления нежелательных спутниковых пульсов,
  • формирования одиночных аттосекундных импульсов вместо поездов импульсов.

Экспериментальные реализации систем хирпированных импульсов

  1. Системы Ti:Sa (титан-сапфир). Наиболее широко используемые источники ультракоротких импульсов. Диапазон усиления 650–1100 нм и высокая ширина спектра делают их идеальными для CPA-схем.

  2. Yb:YAG лазеры. Позволяют работать на более высоких средних мощностях, что важно для увеличения яркости HHG.

  3. Оптоволоконные CPA-системы. Обеспечивают высокую стабильность, управляемый chirp и возможность масштабирования энергии.

  4. Гибридные схемы. Сочетают различные среды и технологии компрессии, включая использование фотонных кристаллов и метаповерхностей для точного контроля дисперсии.

Практическое значение и новые направления

  • Хирпированные импульсы используются для исследования туннельной ионизации, динамики электронов в конденсированных средах и молекулах.
  • Управляемый chirp позволяет реализовать attosecond streaking – методику точного измерения временных задержек в фотоэмиссии.
  • Перспективными являются технологии оптических параметрических CPA (OPCPA), где chirp управляется ещё более гибко, а доступный спектральный диапазон шире.
  • Интенсивно развиваются методы синтеза спектров с ультраширокой полосой, что позволяет получать импульсы длительностью менее 100 аттосекунд с контролируемым chirp.
Оглавление