Усиление чирпированных импульсов

Чирпированные импульсы представляют собой оптические сигналы с временной модуляцией частоты. Такой импульс характеризуется изменяющейся частотой во времени, что позволяет расширять его длительность для предотвращения оптической нелинейности при усилении, а затем сжимать обратно для достижения высокой пиковой мощности. Усиление чирпированных импульсов стало ключевой технологией в современной фемтофизике, особенно в создании мощных ультракоротких лазерных импульсов.

Принцип Чирпинг-усиления (CPA)

Метод Chirped Pulse Amplification (CPA) основан на трех последовательных этапах:

  1. Растяжение импульса (stretching) Короткий импульс растягивается во времени с помощью дисперсионных оптических систем (гратов или волокон), что снижает его пиковой интенсивности и предотвращает повреждение усилителя. Ключевой момент: растяжение позволяет усилителю работать в линейном режиме без возникновения оптических нелинейных эффектов (самофокусировка, SBS, SRS).

  2. Усиление импульса Растянутый импульс усиливается с использованием твердотельных лазерных кристаллов (например, Nd:YAG, Ti:Sa) или оптических волоконных усилителей. Ключевые аспекты:

    • Выбор усилителя зависит от необходимой энергии и спектральной ширины импульса.
    • Линейность усиления критична для сохранения фазовой когерентности чирпированного сигнала.
    • Пиковая мощность импульса после растяжения на несколько порядков ниже, чем у исходного, что предотвращает разрушение активной среды.

  3. Сжатие импульса (compression) После усиления импульс проходит через компенсирующую дисперсионную систему, которая возвращает его к исходной длительности или даже короче. Результат: достигается очень высокая пикова́я мощность, иногда на уровне тераватт, при сохранении спектральной чистоты и минимальной временной структуры.

Дисперсионные методы растяжения и сжатия

  • Грат-системы (diffraction gratings): Применяются как для растяжения, так и для сжатия. Разделение длин волн по пространству создает линейную временную задержку, формируя чирп.

  • Призматические пары (prism pairs): Используются для тонкой настройки дисперсии, особенно в ультракоротких импульсах (с длительностью менее 50 фс).

  • Оптические волокна: Применяются для растяжения импульсов, особенно в волоконных лазерах, где управляемая дисперсия волокна позволяет предотвращать нелинейные эффекты.

Ключевой момент: правильный выбор дисперсионного элемента критичен для компенсации как групповой задержки (GVD), так и высших порядков дисперсии (TOD, FOD), чтобы избежать временного искажения импульса.

Линейные и нелинейные эффекты при усилении

При усилении чирпированных импульсов важно учитывать:

  • Линейные эффекты:

    • Усиление пропорционально мощности импульса.
    • Не вызывают искажений спектра и фазы.

  • Нелинейные эффекты:

    • Самофокусировка (self-focusing): интенсивность выше критической вызывает фокусировку луча внутри активной среды.
    • Стимулированное комбинационное рассеяние (SRS) и Бриллюэна (SBS): приводят к потере энергии и расстройству спектра.
    • Самофазировка (SPM): изменение фазы по интенсивности, вызывающее спектральное расширение.

Ключевой момент: растяжение импульса снижает интенсивность на этапе усиления, тем самым минимизируя эти нелинейные эффекты и сохраняя качество импульса.

Оптимизация усилительных систем

  1. Выбор активной среды:

    • Ti:Sapphire подходит для широких спектров (<50 фс).
    • Nd:Glass — для высоких энергий (>100 мДж) при длительных импульсах.

  2. Управление дисперсией:

    • Компенсация как второй, так и третьей порядков дисперсии.
    • Предотвращение временного удлинения или преддисперсии, которые могут привести к снижению пиковой мощности.

  3. Многокаскадное усиление:

    • Используются предварительные (pre-amplifiers) и мощные усилители (power amplifiers).
    • Это позволяет постепенно увеличивать энергию, избегая повреждения оптики и нелинейных искажений.

Применения чирпированных усиленных импульсов

  • Фемтосекундная спектроскопия: разрешение динамики на субфемтосекундных масштабах.
  • Высокопиковая лазерная обработка: точная резка и микрообработка материалов.
  • Создание сверхкоротких рентгеновских импульсов: через высокоэнергетическую нелинейную генерацию.
  • Исследования неравновесных процессов: наблюдение за колебательными и электронными процессами в атомах и молекулах.
Оглавление