Принципы генерации ультракоротких лазерных импульсов
Генерация ультракоротких импульсов — это процесс получения лазерных импульсов с длительностью в диапазоне от нескольких пикосекунд до единиц и даже долей фемтосекунды. Такие импульсы играют ключевую роль в современной лазерной физике, спектроскопии, нелинейной оптике, медицине, нанофизике и управлении квантовыми процессами.
Основной принцип получения ультракоротких импульсов основан на временной компрессии широкополосного излучения, где длительность импульса обратно пропорциональна его спектральной ширине. Согласно соотношению неопределенности времени и частоты:
Δt ⋅ Δν ≳ 0, 44
для гауссовых импульсов, где Δt — длительность импульса, Δν — его спектральная ширина. Таким образом, для генерации фемтосекундных импульсов необходимо обеспечить спектральную ширину излучения, достигающую десятков или сотен нанометров.
Метод Q-модуляции используется для генерации наносекундных импульсов. В случае ультракоротких импульсов основное внимание уделяется технике синхронизации мод (mode-locking), при которой фазовые колебания различных продольных мод лазера сводятся к когерентному состоянию. Это приводит к конструктивной интерференции на определённых временных интервалах, формируя одиночный интенсивный импульс.
Активный mode-locking реализуется за счёт внешнего модулятора (например, акустооптического или электрооптического), который периодически изменяет параметры среды, синхронизируя фазы мод. Однако предельная длительность импульса в этом случае ограничена техническими характеристиками модуляторов.
Пассивный mode-locking достигается использованием нелинейных элементов, таких как насыщаемые поглотители, которые автоматически модулируют добротность в зависимости от интенсивности излучения. Этот метод позволяет получить импульсы длительностью менее 100 фс. Один из наиболее эффективных подходов — использование эффекта самофокусировки и самоиндуцированной модуляции фазы.
Нелинейная зависимость показателя преломления от интенсивности света:
n = n0 + n2I
где n2 — коэффициент нелинейного преломления, I — интенсивность, приводит к появлению самофазовой модуляции (СПМ). Это явление вызывает расширение спектра импульса за счёт генерации новых частот в результате фазового сдвига, индуцированного интенсивностью самого же импульса.
Если после этого широкополосного импульса пройти через дисперсионную среду, которая компенсирует хроматическую дисперсию, можно добиться сжатия импульса до предельно короткой длительности.
Лазеры на титан-сапфире являются одними из наиболее распространённых источников фемтосекундных импульсов. Широкий спектр усиления (от 650 до 1100 нм) позволяет получать импульсы длительностью менее 10 фс. Комбинируя Ti:сапфир с зеркалами с дисперсионной компенсацией (chirped mirror) и нелинейными кристаллами, удаётся достичь сверхширокого спектра и последующего компрессирования импульса.
Лазеры на основе редкоземельных волокон, например, эрбий- или иттрий-допированных, также позволяют получать импульсы в фемтосекундном диапазоне. Использование нелинейных эффектов в волокне (СПМ, дисперсия, четырехволновое взаимодействие) в сочетании с техникой Nonlinear Polarization Rotation обеспечивает устойчивый режим генерации.
Для достижения чрезвычайно высоких пиковых мощностей используется метод Chirped Pulse Amplification (CPA). Он включает в себя три ключевых этапа:
Метод CPA позволил достичь импульсов с мощностями, превышающими тераватты, что открыло путь к разработке мощнейших лазеров мира, включая установки типа Petawatt и Exawatt.
При генерации ультракоротких импульсов в нелинейных средах может происходить спектральное расширение до уровня сверхширокополосного излучения. Это наблюдается при распространении импульса в средах с сильной нелинейностью и дисперсией (например, фотонно-кристаллических волокнах).
Суперконтинуум обладает спектром, охватывающим от видимого до ближнего ИК-диапазона, и применяется в таких задачах, как когерентная томография, фемтоспектроскопия, а также в качестве источника белого света.
Физические пределы длительности импульсов обусловлены следующими факторами:
Для управления импульсами применяются такие методы, как:
Ключевые параметры, определяющие качество и характеристики ультракоротких импульсов:
Генерация ультракоротких импульсов открыла путь к множеству научных и прикладных направлений:
Современные исследования направлены на уменьшение длительности импульсов до субфемтосекундного и аттосекундного диапазона, улучшение контроля над фазовой и амплитудной структурой импульсов, а также интеграцию генераторов ультракоротких импульсов в компактные устройства. Особое внимание уделяется квантово-оптическим схемам генерации, генерации одиночных фотонов с заданной формой импульса и применению в квантовых вычислениях.