В современной аттосекундной физике центральную роль играет использование сверхкоротких лазерных импульсов с контролируемыми характеристиками. Для генерации стабильных аттосекундных пакетов и реализации экспериментов на уровне временных шкал, сравнимых с колебанием электронов в атоме, требуется не только высокая интенсивность, но и чрезвычайная стабильность мощности и частоты излучения. Флуктуации амплитуды или частоты приводят к снижению когерентности и воспроизводимости эксперимента, что делает задачу стабилизации одной из ключевых.
1. Амплитудные шумы. Флуктуации мощности лазера возникают из-за нестабильности накачки, шумов питания, термодинамических колебаний в активной среде и внешних вибраций.
2. Частотные дрейфы. Частота генерации изменяется под влиянием температурных колебаний, механических деформаций резонатора и флуктуаций показателя преломления активной среды.
3. Фазовые шумы. Особое значение в аттосекундной физике имеют шумы фазы несущей относительно огибающей (carrier-envelope phase, CEP), определяющие точное расположение полуволны лазерного поля внутри импульса. Нестабильность CEP ведет к невозможности формирования воспроизводимых аттосекундных импульсов.
Активная стабилизация интенсивности. Используются фотодетекторы, измеряющие выходную мощность, сигнал с которых подается на систему обратной связи. Управление осуществляется посредством акустооптических или электрооптических модуляторов, регулирующих энергию импульсов в реальном времени.
Пассивные методы. К ним относятся термостабилизация элементов резонатора, виброизоляция установки, а также использование стабилизированных источников питания и прецизионной электроники.
Регулировка накачки. Мощность лазерного диода или лампы накачки контролируется через электронную обратную связь, что минимизирует амплитудные флуктуации ещё на входе в активную среду.
Стабилизация к эталонному резонатору. Лазерный резонатор привязывается к высокостабильной оптической полости (часто выполненной из ультранизкорасширяющегося стекла). Сравнение частоты генерации с частотой эталона позволяет компенсировать дрейфы за счёт изменения длины резонатора.
Система Pound–Drever–Hall (PDH). Применяется для ультраточной стабилизации частоты. Метод основан на фазовой модуляции лазерного излучения и регистрации сигнала ошибки при взаимодействии с эталонным резонатором.
Сравнение с атомными переходами. Высочайшую стабильность обеспечивают атомные частотные стандарты, такие как переходы в ионах или холодных атомах. Лазерная частота подстраивается таким образом, чтобы совпадать с резонансом атомного перехода.
Для аттосекундной физики критически важно контролировать фазу несущей относительно огибающей, так как именно от этого зависит форма электрического поля в импульсе и эффективность высокоэффективных процессов, например генерации высоких гармоник (HHG).
Техника f–2f интерферометрии. Метод основан на расширении спектра до октавы и сравнении удвоенной низкочастотной компоненты с высокочастотной частью. Сдвиг фазы между ними отражает изменение CEP. Сигнал ошибки подается в систему обратной связи, которая корректирует длину резонатора или параметры накачки.
Использование активных стабилизаторов. Регулировка осуществляется либо через пьезоэлементы, изменяющие длину резонатора, либо посредством модуляции усилителя, что позволяет удерживать CEP стабильным в течение длительных серий измерений.
В установках для генерации аттосекундных импульсов стабилизация осуществляется на нескольких уровнях:
Все системы объединены в единую электронную архитектуру, что позволяет поддерживать параметры лазера в пределах стабильности, необходимых для экспериментов на аттосекундной шкале.
Без стабилизации мощности и частоты лазерного излучения невозможна реализация экспериментов по управлению динамикой электронов, генерации высоких гармоник и синтезу изолированных аттосекундных импульсов. Любая нестабильность мгновенно проявляется в спектре излучения, снижая когерентность и искажая временные характеристики. Таким образом, стабилизация параметров лазера является фундаментальной технологической основой всей области аттосекундной физики.