Системы усиления лазерных импульсов

Фемтосекундные лазерные импульсы обладают исключительно короткой длительностью (10⁻¹⁵ с), что делает их чувствительными к любому рассеянию и нелинейным эффектам при прохождении через оптические среды. Для достижения высокой энергии импульса необходима организация систем усиления, обеспечивающих сохранение формы импульса, минимизацию искажений и предотвращение разрушения оптических компонентов.

Основной принцип усиления заключается в передаче энергии от накачки лазерного активного материала к слабому сигнальному импульсу, который затем выходит с увеличенной энергией. В фемтофизике используются два основных подхода:

  1. Прямое усиление коротких импульсов, где импульс сразу подается в активную среду и усиливается.
  2. CPA-техника (Chirped Pulse Amplification) — наиболее распространенный метод для фемтосекундных систем высокой энергии.

Техника растяжения и сжатия импульсов (CPA)

CPA является фундаментальной технологией для усиления ультракоротких импульсов. Она позволяет предотвратить нелинейные эффекты, такие как самофокусировка и многократное поколение гармоник в активной среде.

Этапы CPA:

  1. Растяжение импульса – при помощи дисперсионной системы (призмы или решетки) длительность импульса увеличивается до нескольких пикосекунд или наносекунд. Это снижает пик мощности и предотвращает повреждение оптики.
  2. Лазерное усиление – растянутый импульс многократно проходит через активную среду, где энергия накачки передается на сигнал. Используются твёрдотельные кристаллы (Ti:Sapphire, Yb:YAG) и газовые лазеры (Nd:YAG, Nd:glass).
  3. Сжатие импульса – после усиления импульс возвращается к фемтосекундной длительности, используя обратную дисперсионную систему.

Ключевой момент: эффективность CPA напрямую зависит от точной компенсации дисперсии, чтобы восстановленный импульс имел минимальное время нарастания и не содержал высокочастотных искажений.

Типы усилительных сред

Твёрдотельные кристаллы – наиболее часто применяемый активный материал:

  • Ti:Sapphire – широкая полосa усиления (650–1100 нм), позволяет генерировать импульсы длительностью <30 фс.
  • Nd:YAG и Nd:glass – используют для получения импульсов большей энергии, хотя длительность импульсов ограничена сотнями фемтосекунд.

Газовые лазеры – используются для уникальных спектральных диапазонов и высокой однородности усиления. Примеры: ArF, KrF, XeCl.

Оптоволоконные усилители – современные разработки позволяют компактное усиление с высокой стабильностью и низкой стоимостью, особенно в инфракрасном диапазоне.

Архитектуры усилительных систем

  1. Одноступенчатые усилители – простая схема, где слабый импульс усиливается в одной активной среде. Используется для средних энергий (<1 мДж).
  2. Многоступенчатые усилители – последовательное усиление в нескольких активных средах, позволяющее достичь энергии сотен мДж и более.
  3. Параллельные схемы с последующим суммированием – применяются при необходимости крайне высокой энергии (>1 Дж).

Особенности проектирования:

  • Баланс между усилением и сохранением спектра.
  • Минимизация нелинейных эффектов (самофокусировка, SPM, SBS).
  • Оптическая изоляция между ступенями для предотвращения обратного распространения.

Нелинейные эффекты и методы их подавления

При усилении фемтосекундных импульсов пик мощностей достигает 10¹²–10¹⁴ Вт/см², что вызывает:

  • Самофокусировку – локальное увеличение интенсивности в центре пучка.
  • Многофотонное поглощение – приводит к повреждению кристаллов.
  • Селективное рассеяние – приводит к потере энергии и искажению формы импульса.

Методы подавления:

  • Использование CPA с растяжением импульса.
  • Оптические системы с низкой нелинейной подложкой (SiO₂, кварц).
  • Апертурные и фазовые корректоры для управления распределением интенсивности.

Стабилизация и синхронизация

Для работы фемтосекундных усилительных систем критично поддерживать:

  • Температурную стабильность активных кристаллов.
  • Синхронизацию накачки и сигнала с точностью до пикосекунд.
  • Стабильность фазового фронта для предотвращения искажений волнового пакета.

Современные системы включают активные системы контроля, автоматические зеркала и адаптивные оптические элементы.

Оглавление