Генерация фемтосекундных импульсов

Генерация фемтосекундных импульсов основывается на управлении временем когерентной световой волны и манипулировании фазой её спектральных компонентов. Ключевой задачей является формирование ультракоротких импульсов с длительностью в диапазоне от десятков до сотен фемтосекунд (10⁻¹⁵ с), что требует чрезвычайно точного контроля дисперсии и нелинейных эффектов в оптических средах.

Критерий фемтосекундного режима:

  • Длительность импульса τ < 100 fs.
  • Полная когерентность спектра, обеспечивающая минимальное время нарастания.
  • Контроль над фазовой модуляцией, чтобы избежать растяжения импульса.

Лазерные системы для фемтосекундных импульсов

Основными источниками фемтосекундных импульсов являются модельocked-лазеры (mode-locked lasers). Их принцип работы заключается в фазовой синхронизации мод колебаний лазерного резонатора, что позволяет формировать регулярную последовательность ультракоротких импульсов.

Виды модуляции:

  • Активная модуляция: использование внешнего модулятора, синхронизированного с резонансной частотой лазера.
  • Пассивная модуляция: применение насыщаемых абсорберов, которые автоматически обеспечивают стабильное формирование импульсов.

Типы лазеров:

  • Титан-сапфировые лазеры (Ti:Sapphire) – обладают широкой полосой пропускания и способны формировать импульсы <10 fs.
  • Эрбиевые и иттрий-алюмо-гранатовые (Er:YAG, Yb:YAG) – работают в ИК-диапазоне, часто применяются для биомедицинских и промышленных задач.

Формирование и сжатие импульсов

Даже после генерации в лазере, импульс часто требует дисперсионного сжатия, так как материалы и оптика вызывают временное растяжение импульса (групповая дисперсия).

Методы сжатия:

  1. Призматические композиторы: используют комбинацию призм для компенсации второй и третьей порядка дисперсии.
  2. Граттинг-композиторы: обеспечивают компенсацию более широкой полосы частот, применяются при экстремально коротких импульсах (<20 fs).
  3. Фибровые компрессоры: используют нелинейные эффекты в оптических волокнах для самофокусировки и самосжатия импульса (soliton-effect).

Нелинейные методы генерации

Для достижения экстремально коротких длительностей и новых диапазонов длин волн применяются нелинейные процессы:

  • Самофокусировка и самосжатие в прозрачных средах: при прохождении мощного импульса через среду с положительным коэффициентом нелинейности, происходит сжатие во времени и пространстве.
  • Оптическая параметрическая генерация (OPA): позволяет создавать импульсы в диапазоне от ультрафиолетового до ближнего инфракрасного, с длительностями до нескольких десятков фемтосекунд.
  • Суперплетение (supercontinuum generation): широкий спектр импульсов формируется за счет сильной нелинейной спектральной генерации, что критично для спектроскопии и измерения времени.

Диагностика фемтосекундных импульсов

Точный контроль над длительностью и фазовой структурой импульсов необходим для экспериментов с фемтосекундной разрешающей способностью.

Основные методы измерения:

  • Автокорреляция: позволяет оценить длительность импульса с разрешением до нескольких фемтосекунд.
  • FROG (Frequency-Resolved Optical Gating): измерение амплитуды и фазы импульса в спектро-временном пространстве.
  • SPIDER (Spectral Phase Interferometry for Direct Electric-field Reconstruction): прямое восстановление временной структуры электрического поля.

Практические аспекты

Для стабильной генерации фемтосекундных импульсов критически важны:

  • Минимизация вибраций и термических флуктуаций лазерной системы.
  • Точная калибровка и выравнивание оптических компонентов.
  • Контроль над мощностью и спектральной шириной импульсов для предотвращения оптических повреждений.

Фемтосекундные импульсы открывают уникальные возможности в исследовании сверхбыстрых процессов, управлении химическими реакциями и изучении динамики электронов на атомарном уровне. Управление фазой и спектром импульсов, точная компенсация дисперсии и использование нелинейных эффектов создают основу современной фемтофизики и ультракороткопульсовой оптики.

Оглавление