Технологии стабилизации несущей частоты

Понятие несущей частоты и её роль

В аттосекундной физике фундаментальное значение имеет точный контроль временной структуры ультракоротких лазерных импульсов. Каждый такой импульс описывается огибающей, определяющей его интенсивность во времени, и быстро осциллирующей несущей волной, характеризуемой несущей частотой. Относительное положение максимумов огибающей и несущей волны задаётся фазой несущая–огибающая (Carrier-Envelope Phase, CEP). Именно эта фаза критически влияет на процессы, происходящие в сильных лазерных полях, включая генерацию гармоник высокого порядка, туннельную ионизацию и формирование аттосекундных импульсов.

Без стабилизации фазы несущая–огибающая каждое излучённое лазером излучение будет случайным по отношению к огибающей, что делает невозможным точное воспроизведение и контроль динамики электронов на аттосекундных временных масштабах. Поэтому разработка и внедрение технологий стабилизации несущей частоты стало одним из ключевых достижений в экспериментальной аттосекундной физике.

Основные источники нестабильности несущей частоты

Нестабильность несущей частоты возникает вследствие нескольких факторов:

  1. Дисперсия в лазерной среде – при генерации фемтосекундных импульсов в лазерных резонаторах происходит изменение фазовых соотношений между спектральными компонентами.
  2. Флуктуации длины оптического резонатора – малейшие вибрации или тепловые расширения изменяют фазовые условия внутри резонатора.
  3. Нестабильность накачки – вариации мощности накачивающего излучения приводят к изменению показателя преломления и параметров генерации.
  4. Эффекты нелинейной дисперсии – при распространении импульсов через нелинейные среды возможны случайные фазовые сдвиги.

Эти эффекты делают фазу несущая–огибающая нестабильной от импульса к импульсу, что требует специальных методов стабилизации.

f-2f интерферометрия

Наиболее распространённым методом стабилизации несущей частоты является f-2f интерферометрия. Принцип заключается в следующем:

  • Из лазера с широким спектром получают спектральные компоненты в диапазоне от f до 2f.
  • Низкочастотная часть спектра (около f) удваивается в частоте с помощью нелинейного кристалла.
  • Сравнение удвоенной частоты 2f с исходной спектральной компонентой в области 2f даёт возможность измерить сдвиг частоты огибающей относительно несущей.

Фактически этот метод позволяет напрямую наблюдать частоту смещения несущая–огибающая (fCEO, Carrier-Envelope Offset). Далее этот сигнал используется для активной обратной связи и подавления нестабильности.

Системы активной стабилизации

После измерения fCEO необходимо корректировать параметры лазера для удержания фазы:

  1. Регулировка мощности накачки – изменение энергии накачки позволяет управлять эффективным показателем преломления активной среды.
  2. Контроль длины резонатора – пьезоэлектрические элементы изменяют положение зеркал с субнанометровой точностью.
  3. Электрооптическая модуляция – позволяет в реальном времени вносить фазовые поправки.

Комбинация этих методов образует замкнутую систему обратной связи, удерживающую fCEO в пределах узкой полосы допусков.

Стабилизация при генерации гармоник высокого порядка

При генерации гармоник высокого порядка (HHG) фазовая стабильность несущая–огибающая играет решающую роль. Каждое излучение аттосекундного импульса зависит от момента, когда максимальная электрическая сила лазера взаимодействует с электроном. Даже малое смещение CEP приводит к изменению амплитуды, полярности и временной структуры генерируемых импульсов.

Для достижения контролируемой генерации аттосекундных импульсов:

  • применяется стабилизация с точностью до десятков миллирадиан;
  • используется синхронизация нескольких лазеров, где один стабилизирует фазу другого;
  • вводятся фазовые компенсаторы для минимизации дисперсии в оптической системе.

Технологии оптических гребёнок частот

С развитием аттосекундной физики широкое распространение получили оптические частотные гребёнки. Они обеспечивают набор строго равноотстоящих спектральных линий, каждая из которых синхронизирована с фазой несущая–огибающая.

Гребёнка частот формируется за счёт фемтосекундных лазеров с активной стабилизацией CEP и позволяет связывать оптические частоты с радиочастотными эталонами. Это даёт возможность калибровать и удерживать фазу с уникальной точностью, необходимой для аттосекундных экспериментов.

Пассивные методы стабилизации

Помимо активных методов, существуют и пассивные подходы:

  • использование лазерных резонаторов с минимальной чувствительностью к температурным и механическим флуктуациям;
  • оптимизация геометрии нелинейных сред для снижения фазовых шумов;
  • внедрение материалов с низкой дисперсией.

Хотя пассивная стабилизация менее точна, её комбинация с активными методами обеспечивает высокую надёжность систем.

Экспериментальные достижения

Сегодня достигнута стабилизация CEP с точностью лучше 100 миллирадиан, что позволяет получать аттосекундные импульсы с воспроизводимой структурой. Это стало основой для:

  • прямого наблюдения электронной динамики в атомах и молекулах;
  • исследований фотоэффекта в аттосекундном масштабе;
  • создания управляемых источников рентгеновского излучения.
Оглавление