Генерация фемтосекундных импульсов

Физические основы генерации фемтосекундных импульсов

Фемтосекундные лазерные импульсы, продолжительность которых составляет от нескольких десятков до сотен фемтосекунд (1 фс = 10⁻¹⁵ с), представляют собой ультракороткие световые всплески, которые формируются в результате когерентного суммирования широкого набора спектральных компонент. Генерация таких импульсов невозможна без широкополосного усиления и точного управления фазовыми соотношениями между модами. Основные методы получения фемтосекундных импульсов связаны с использованием лазеров на Ti:Sapphire, активным и пассивным модулированием добротности, синхронной накачкой и управлением дисперсией.

Условия формирования фемтосекундных импульсов

Для генерации ультракоротких импульсов необходимы следующие ключевые условия:

  • Широкий спектральный диапазон усиления. Согласно соотношению неопределённости, чем короче импульс во времени, тем шире его спектральная ширина:

    Δν ⋅ Δt ≳ 0.44  (для гауссовых импульсов).

    Это означает, что, например, для 10 фс импульса требуется спектральная ширина порядка нескольких десятков ТГц.

  • Фиксированное фазовое соотношение между модами. Для формирования короткого импульса необходимо, чтобы моды лазерного резонатора были когерентны, то есть находились в фиксированной фазовой связи. Это достигается в режиме синхронизации мод (mode-locking).

  • Компенсация дисперсии. Внутрирезонаторная и внешняя дисперсия приводят к растяжению импульсов. Необходимо применять элементы, компенсирующие группо-задерживающую дисперсию (GDD), такие как призмы, решётки, хиральные зеркала и диэлектрические зеркала с управляемой дисперсией.

Синхронизация мод (Mode-locking)

Синхронизация мод — ключевой механизм генерации коротких импульсов в лазерах. Он заключается в когерентном наложении множества продольных мод лазера с постоянными фазовыми соотношениями. Существует два основных метода синхронизации:

  • Активная синхронизация мод. В резонатор вводится модулятор добротности, работающий на частоте продольного интервала мод. Обычно используется акустооптический или электрооптический модулятор. Этот метод позволяет контролировать повторяемость импульсов, но имеет ограничения по длительности импульсов (сотни пикосекунд).

  • Пассивная синхронизация мод. Основана на использовании нелинейных элементов, таких как насыщаемые поглотители, обеспечивающие селекцию коротких импульсов по интенсивности. Современные реализации используют такие структуры, как SESAM (Semiconductor Saturable Absorber Mirror) или Kerr-линзовую синхронизацию (Kerr-lens mode-locking, KLM), особенно в лазерах на Ti:Sapphire.

Kerr-линзовая синхронизация мод

Этот метод базируется на эффекте самофокусировки света в нелинейной среде за счёт нелинейного показателя преломления:

n = n0 + n2I,

где n2 — нелинейный коэффициент, I — интенсивность света. В результате интенсивный пик импульса самофокусируется, изменяя пространственный профиль пучка. Это изменение может быть использовано для выбора коротких импульсов в резонаторе, например, с помощью диафрагмы, расположенной в фокальной области.

Преимущества KLM:

  • Возможность генерации импульсов длительностью <10 фс.
  • Отсутствие необходимости во внешнем насыщаемом поглотителе.
  • Высокая стабильность при оптимизированной геометрии резонатора.

Лазеры на Ti:Sapphire

Кристалл Ti:Sapphire (сапфир, легированный титаном) является основным рабочим телом для генерации фемтосекундных импульсов. Его ключевые свойства:

  • Широкий спектральный диапазон усиления (650–1100 нм), что обеспечивает возможность генерации импульсов вплоть до 5 фс.
  • Высокий уровень нелинейности для эффективной реализации Kerr-линзовой синхронизации мод.
  • Большое значение теплопроводности и механической прочности.

Лазеры на Ti:Sapphire обычно накачиваются мощными зелёными лазерами (например, Nd:YVO₄ на 532 нм), обеспечивая достаточную мощность для генерации и усиления фемтосекундных импульсов.

Компенсация дисперсии и управление формой импульса

При распространении фемтосекундных импульсов через различные оптические элементы возникает хроматическая дисперсия, в том числе:

  • Групповая задержка (Group Delay, GD)
  • Групповая задержка дисперсии (Group Delay Dispersion, GDD)
  • Третья производная фазовой задержки (Third-Order Dispersion, TOD)

Для компенсации используются:

  • Призменные компрессоры. Устанавливаются внутри или вне резонатора и обеспечивают отрицательную GDD.
  • Решёточные компрессоры. Позволяют точно управлять всеми порядками дисперсии, особенно при сверхшироком спектре.
  • Диэлектрические хиральные зеркала. Компенсируют GDD на заданной длине волны и обладают высокой отражательной способностью.

Контроль формы импульса также может осуществляться при помощи устройства управления фазой в частотной области — спектрального фазового модулятора (4f-конфигурации).

Усиление фемтосекундных импульсов: CPA-схема

Для получения высокоэнергетических фемтосекундных импульсов применяется метод усиления с предварительным растяжением (Chirped Pulse Amplification, CPA). Суть метода:

  1. Растяжение короткого импульса до длительности порядка наносекунд с помощью дифракционной решётки или волоконных линий задержки.
  2. Усиление растянутого импульса в лазерном усилителе без повреждения оптики.
  3. Компрессия усиленного импульса обратно до фемтосекундной длительности.

Этот подход позволяет достигать энергии единиц и десятков миллиджоулей при длительности 20–100 фс.

Диагностика фемтосекундных импульсов

Стандартизованные методы измерения длительности и формы фемтосекундных импульсов включают:

  • Автокорреляцию. Простая в реализации, даёт информацию о длительности, но не о фазе.

  • Фаза-селективные методы:

    • FROG (Frequency-Resolved Optical Gating): позволяет восстановить временной и спектральный профиль.
    • SPIDER (Spectral Phase Interferometry for Direct Electric-field Reconstruction): позволяет получить полную реконструкцию фазового фронта.

Для контроля спектра применяются спектрометры с высоким разрешением, а также интерферометрические методы визуализации фазовых и амплитудных характеристик.

Современные направления и перспективы

В области генерации фемтосекундных импульсов активно развиваются следующие направления:

  • Генерация аттосекундных импульсов с помощью гармоник фемтосекундного излучения.
  • Оптические гребёнки частот, синхронизированные с фемтосекундными лазерами.
  • Фемтосекундные источники в среднем ИК-диапазоне на основе нелинейной генерации и оптической параметрической генерации.
  • Интеграция в волоконные и чиповые платформы.

Фемтосекундные лазеры лежат в основе передовых приложений в спектроскопии, нелинейной микроскопии, материаловедении, квантовой оптике и высокоэнергетической физике.

Оглавление