Принципы компрессии лазерных импульсов
Компрессия лазерных импульсов представляет собой процесс уменьшения их временной длительности при сохранении (или увеличении) пиковой мощности. Этот метод стал краеугольным камнем фемтосекундной и аттосекундной лазерной технологии, позволяя достигать экстремальных интенсивностей при умеренной энергии. Суть компрессии заключается в управлении групповыми задержками спектральных компонент импульса, то есть в компенсации хроматической дисперсии и фазовой модуляции.
Механизмы увеличения длительности: предварительное растяжение импульса
В типичной схеме генерации сверхкоротких импульсов используется техника чирпирования — преднамеренное растяжение импульса во времени до его усиления. Это необходимо для предотвращения нелинейных эффектов, таких как самофокусировка или повреждение усилительных элементов. Обычно растяжение достигается с помощью дисперсионных элементов, например, пары решёток или пары зеркал с контролируемой групповой задержкой.
Спектральные компоненты импульса при этом разделяются во времени: низкочастотные (длинноволновые) приходят позже высокочастотных (коротковолновых) или наоборот, в зависимости от знака введённой дисперсии. Такой импульс называют чирпированным. Его длительность может быть увеличена в десятки и сотни раз по сравнению с исходной.
Физические основы компрессии
После растяжения и усиления импульс направляется на компрессор — систему, предназначенную для компенсации накопленной дисперсии и обратного сжатия во времени. Наиболее часто используются следующие типы компрессоров:
Компрессия основана на групповом задерживании спектральных компонент, противоположном по знаку тому, что было введено при растяжении. Чтобы достичь оптимальной компрессии, необходимо устранить не только линейную дисперсию (GDD — group delay dispersion), но и высшие порядки (TOD — third-order dispersion и выше), особенно для импульсов длительностью менее 30 фс.
Компрессия в спектральной области
Одним из наиболее универсальных методов управления временным профилем импульса является работа в спектральной области. Распространённый метод — 4f-схема на базе дифракционных решёток и линзы (или сферического зеркала), в которой свет фурье-преобразуется, а затем каждый спектральный компонент подвергается индивидуальной фазовой коррекции.
В фокальной плоскости 4f-схемы можно разместить модулятор пространственной фазы (например, жидкокристаллический SLM), позволяющий задать нужную фазу для каждого спектрального элемента. После обратного преобразования (второе фурье-преобразование) получается сжатый импульс, в котором компенсированы нежелательные фазовые искажении.
Роль нелинейных эффектов в компрессии
В случае сверхинтенсивных импульсов важную роль начинают играть нелинейные оптические эффекты, которые могут как мешать компрессии, так и использоваться для дополнительного спектрального уширения. Одним из таких механизмов является самофазовая модуляция (SPM), приводящая к уширению спектра за счёт интенсивностной зависимости показателя преломления среды (n₂-эффект).
После такого нелинейного расширения спектра компрессия становится особенно эффективной, поскольку узкий спектр был основным ограничением при попытке получить короткие импульсы. Процедура, включающая нелинейное уширение спектра и последующую компенсацию фазовой дисперсии, называется нелинейной компрессией.
Типичное оборудование, используемое в таких схемах:
Методы измерения и оптимизации компрессии
Для контроля качества сжатия и восстановления временного профиля применяются методы фазовой диагностики. Среди них:
Эти методы позволяют точно настроить компрессор и устранить остаточные фазовые искажения, оптимизируя длительность и форму импульса.
Пределы компрессии и современные достижения
В идеальном случае минимальная длительность импульса определяется шириной спектра и его фазовой плоскостностью. Ограничением является соотношение неопределённостей:
$$ \Delta t \cdot \Delta \omega \geq \frac{1}{2} $$
Для гауссовских импульсов выполняется:
$$ \Delta t = \frac{0{,}44}{\Delta \nu} $$
Таким образом, для получения импульсов длительностью порядка 5 фс необходим спектр шириной более 100 ТГц. В современных экспериментах с использованием нелинейного уширения в волокнах или газах удаётся получать импульсы длительностью 3–5 фс, а в специализированных схемах даже менее 1 фс (аттосекундные импульсы), что уже выходит за рамки традиционной компрессии и требует новых физических подходов.
Особенности компрессии в различных диапазонах длин волн
Компрессия импульсов может проводиться не только в видимом, но и в инфракрасном и УФ-диапазонах. Каждая область имеет свои особенности:
Применение сжатых импульсов
Сжатые фемто- и аттосекундные импульсы открывают возможности в таких областях, как:
Максимальная пиковая мощность, достигаемая за счёт эффективной компрессии, может превышать 10¹⁴–10¹⁵ Вт/см², что делает возможным наблюдение процессов, ранее недоступных для прямого эксперимента.
Технические трудности и направления развития
Несмотря на успехи в компрессии импульсов, остаются следующие вызовы:
Будущие направления развития включают:
Развитие технологий компрессии импульсов продолжает расширять границы возможного в лазерной физике и ультрабыстрой науке.