Титан-сапфировые (Ti:Sa, Ti³⁺:Al₂O₃) кристаллы являются одним из наиболее широко используемых активных материалов для усилителей в аттосекундной физике благодаря их уникальной комбинации спектральных свойств и высокой стойкости к мощным лазерным полям. Диапазон усиления Ti:Sa кристаллов чрезвычайно широк — от 650 до 1100 нм, что делает их особенно ценными для генерации ультракоротких импульсов длительностью всего несколько фемтосекунд и их последующей компрессии до аттосекундного диапазона.
Активный ион Ti³⁺ в сапфировой матрице имеет широкую полосу флуоресценции, обусловленную сильным взаимодействием с кристаллической решёткой. Благодаря этому достигается возможность усиления импульсов с широкой спектральной полосой, что является необходимым условием для получения ультракоротких импульсов.
Принцип работы Ti:Sa усилителя основан на оптической накачке, чаще всего зелёным лазером на основе Nd:YAG или Nd:YLF, излучающим на длине волны около 527–532 нм. Накачка возбуждает ионы Ti³⁺ в верхний энергетический уровень, а затем они релаксируют в нижний лазерный уровень, откуда происходит вынужденное излучение в широкой области спектра.
Для генерации аттосекундных импульсов необходимо получать пиковые мощности порядка терраватт и выше, что требует применения сложных схем усиления на базе Ti:Sa.
Однопроходные усилители (Single-pass amplifiers) Используются для первоначального увеличения энергии сигнального импульса. В них пучок проходит через активный кристалл только один раз. Несмотря на простоту, такие схемы обеспечивают относительно малое усиление.
Многопроходные усилители (Multi-pass amplifiers) Импульс многократно проходит через один и тот же кристалл, что позволяет существенно увеличить коэффициент усиления. Многопроходные схемы часто используются в комбинации с чирпированием импульсов, что предотвращает разрушение кристалла из-за высоких пиковых интенсивностей.
Регенеративные усилители (Regenerative amplifiers) Наиболее распространённая схема для работы с Ti:Sa. Сигнальный импульс захватывается в оптический резонатор, проходит десятки и сотни оборотов внутри кристалла и постепенно усиливается до требуемой энергии. Затем он выводится из резонатора при помощи быстродействующего оптического модулятора.
Ключевой метод, позволивший использовать Ti:Sa усилители для аттосекундной физики, — это техника чирпированного импульсного усиления (Chirped Pulse Amplification, CPA).
Благодаря CPA стало возможным получать импульсы длительностью менее 30 фс с энергией вплоть до джоулей, что обеспечивает пиковые мощности порядка десятков и сотен терраватт. Именно такие параметры необходимы для генерации высоких гармоник и создания аттосекундных импульсов.
Ti:Sa лазеры обладают широкой полосой усиления, что требует точного контроля фазовых характеристик. Любое искажение спектральной фазы приводит к удлинению импульса и снижению его пригодности для аттосекундных экспериментов.
Для компенсации дисперсии применяются:
Особое внимание уделяется контролю так называемой фазовой разности между несущей и огибающей (CEP, Carrier-Envelope Phase), поскольку её стабильность критически важна для предсказуемой генерации аттосекундных импульсов.
Ti:Sa системы способны выдавать:
Для аттосекундной физики чаще всего используют лазеры с частотой повторения 1–10 кГц, так как они позволяют эффективно проводить эксперименты с генерацией гармоник высокого порядка и обеспечивают хорошее соотношение сигнал/шум.
Несмотря на исключительные возможности, Ti:Sa усилители имеют ряд ограничений:
Для преодоления этих ограничений разрабатываются гибридные схемы усилителей, сочетающие Ti:Sa с лазерами на других активных средах, а также технологии на основе оптических параметрических усилителей (OPA), которые позволяют расширить спектральный диапазон и улучшить эффективность.
Тем не менее именно Ti:Sa усилители до сих пор остаются основным инструментом аттосекундной физики, задавая фундаментальные стандарты по ширине спектра, длительности импульсов и стабильности фазовых характеристик.