Материал из Википедии — свободной энциклопедии

Эту статью или раздел следует викифицировать. Пожалуйста, оформите её согласно общим правилам и указаниям.

Лазеры сверхкоротких (предельно коротких) импульсов, лазеры УКИ (ПКИ), фемтосекундные лазеры — оптические квантовые генераторы, способные генерировать импульсы лазерного излучения очень малой длительности (от сотен пикосекунд, а в последнее время от сотен фемтосекунд и короче).

Основное достоинство этих лазеров — компактный размер. Таким образом даже в небольшой лаборатории можно получить уникальный инструмент исследования — лазер со сверхвысокой интенсивностью и малой длительностью импульса.

Содержание 1 Общие сведения 2 Принцип действия 3 Некоторые популярные конструкции 3.1 Ti:сапфировый лазер 3.1.1 Работа лазера 4 Усилитель сверхкоротких импульсов 5 Контроль и измерение сверхкоротких ипульсов 6 История развития лазеров УКИ 6.1 1-е поколение 6.2 2-е поколение 6.3 3-е поколение 6.4 4-е поколение 7 Применение 8 Ссылки, литература

[править] Общие сведения

Характерные черты:

1. малая длительность импульса (вектор электрической индукции успевает мзменить своё значение всего несколько раз за время длительности импульса)
2. высокая средняя интенсивность во время действия импульса (за счёт млой длительности).
3. широкий спкетр излучения (от единиц до сотен нанометров)
4. высокая временная когерентность (последовательности импульсов)
5. пространственная когерентность

[править] Принцип действия

Принцип действия лазеров УКИ основан на синхронизации мод в лазерном резонаторе. Существует два возможных сценария генерации УКИ. В одном варианте генерация начинается сразу во всех модах со случайной фазой и интенсивноcтью, а потом происходит отсев, в конце процесса все моды становяться жёстко связаны и распределены по интенсивности, и в резонаторе остаётся только один импульс с очень короткой длительностью. Второй вариант — генерация начинается на одной моде, но потом, в результате межмодового взаимодействия, генерация возбуждается и на других модах с необходимой разностью фаз, в результате чего картина становиться точно такой же, как и в первом случае. Формирование импульса обычно происходит за 10 проходов резонатора. Ещё за 10-20 проходов происходит процесс укорочения и усиления импульсов и в конечном итоге получаются стабильные УКИ. В процессе укорочения и усиления импульсов огромное значение имеют нелинейные процессы. Так передний фронт становиться более крутым после прохождения просветляющегося поглотителя (или в результате самофокусировки (линза Керра) в активной среде и выделению только "интенсивной" части импульса), задний фронт укорачивается в результате того, что инверсия населённости не успеват восстановиться за то время пока импулься проходит через активныю среду. Для того чтобы процессы усиления и укорочения импулься были более эффективными, необходимо выбирать активные среды как можно тоньше, а мощность накачки побольше (но не выходя за пределы стабильной генерации импульсов).

Существует активная и пассивная синхронизация мод. Так, в случае активной синхронизации мод требуется специальное устройство, которое будет синхронизировать моды (синхронная накачка, или специальный модулятор в режиме модуляции добротности Q-модуляции), тогда как при пассивной синхронизации это происходит автоматически из-за особенностей конструкции. Лазеры с активной синхронизацией сегодня уже практически не используются из-за сложности изготовления устройств синхронизации. Лазеры с пассивной синхронизацией имеют два порога генерации. Первый - вполне обычный, при накачке выше первого порога лазер УКИ работатет как обычный перестраиваемый лазер. При превышении мощности накачки второго порога создаются благоприятные условия для формирования УКИ, однако для начала генерации может потребоваться дополнительное воздействие например в виде быстрого движения или толчка компенсатора ДГС, обычно это необходимо для появления шумового выброса, из которго потом будет развиваться последовательность УКИ.

[править] Некоторые популярные конструкции

[править] Ti:сапфировый лазер

Наиболее популярны сегодня лазеры на основе Ti:сапфира с керровской линзой (3-го поколения) и волоконные лазеры с диодной накачкой (4-го поколения). Первые используются в основном в лабораторных условиях и позволяют получать большую энергию ипульса; вторые, более компактные и экономичные, активно используются в прикладных целях (например в телекоммуникациях). Основная часть лазера УКИ, впрочем как и любого другого, это резонатор с активной средой. В отличие от других лазеров контур усиления активной среды должен быть достаточно широким. Для лазеров третьего поколения характерна двухрезонаторная схема.

На рисунке выше изображена типичная конструкция лазера четвёртого поколения — лазера на Ti:сапфире с пассивной синхронизацией мод за счёт керровской линзы. Данная конструкция установлена в лаборатории Молекулярной Фото Химии Казанского Физико-Технического Института им. Е.К. Завойского. На данной установке были получены последовательности импульсов УКИ длительностью 35-60фс и с частотой следования 80МГц с центром ипульса в диапазоне 780-800нм и полушириной около 20нм. На установках такого типа в других лабораториях были получены импульсы длительностью до 5,4фс (менее двух периодов световой волны).

На данной фотографии видны все основные элементы лазера УКИ:

1. Выход лазера накачки. В качестве лазера накачки используется аргоновый лазер.
2. Плоское зеркало.
3. Второе плоское зеркало
4. Линза
5. Полупрозрачное зеркало внутреннего резонатора (вогнутое).
6. Активная среда (Ti:сапфир).
7. Глухое зеркало внутреннего резонатора (вогнутое).
8. Первая призма регулятора ДГС (Дисперсия Групповой Скорости).
9. Вторая призма регулятора ДГС.
10. Диафрагма (элемент перестройки длины волны).
11. Глухое зеркало внешнего резонатора (плоское).
12. Полупрозрачное зеркало внешнего резонатора (плоское).

Следует заметить, что вся оптика, которая применяются в нелинейной оптике, обязательно просветлена. А вместо обычных металлических зеркал применяются диэлектрические. Кроме того для достижения более коротких импульсов применяют специальные, т.н. "чирпирующие" зеркала.

[править] Работа лазера

Сперва включается лазер накачки, и мощность повышается до порога генеарации (точнее чуть выше первого порога, но генерации УКИ пока нет). Если необходимо, юстируются зеркала для получения максимума интенсивности лазерного излучения. Если производилась перестройка по длине волны, то это обязательная процедура. Для начала генерации УКИ необходим небольшой толчок основания призмы 7 или 8 это необходимо чтобы создать некоторые флуктуационные выбросы. Длительность этих флуктуационных выбросов на начальном этапе обратно пропорциональна ширине линии усиления (что обычно лежит в области 10^-13с). После одной-двух тысяч проходов длительность обычно возрастает до 10^-11с, в следствии большего усиления мод расположенных в центре линии усиления. После одной-двух тысяч проходов наибольший флуктуационный выброс достигает такой интенсивности, что заметную роль в его поведении оказывают нелинейные эффекты, а именно изменение коэффициента преломления и самофокусировка в кристалле Ti:сапфира. Благодаря самофокусировке, этот флуктуационный выброс испытывает меньшие потери во внутреннем резонаторе (так как он лучше сфокусирован), таким образом он усиливается лучше остальных, а блогодаря относительно большой интенсивности, он уменьшает инверсию населённости, и менее интенсивные выбросы оказываются ниже порога усиления. Когда интенсивность уже почти сформировавшегося импулься УКИ достигает такого занчения, что болшая часть инверсии населённости снимается за вермя прохождения этого импульса через усилитель лазер выходит на стабильный моноимпульсный режим работы (т.е. в резонаторе может находиться только один импульс), что соответствует частоте повторения импульсов около 100МГц (при длине внешнего резонатора резонатора 11-12 около 1 метра).

Следует отметить, что важную роль в этой конструкции играет призменный регулятор ДГС (8-9). При распространении импулься через среду он испытывает искажения, связанные с тем, что дисперсия (коэффициент преломления) для разных длин волн различная (это называется Дисперсия Групповой Скорости или дисперсия второго порядка). Интенсивность импульса настолько велика, что при распространении через среду начинают играть роль дисперсия третьего, а иногда и более высоких порядков. Чтобы скорректировать эти искажения (чтобы импульс не "расплывался", или другими словами чтобы скомпенсировать "чирп") ставят или специальный компенсатор (пара дифракционных решёток или призм) или используют специальные "чирпирующие" зеркала.

Компенсатор ДГС действует следующим образом. Импульс после призмы 8 раскладывается в спектр, после призмы 9 параллельный пучок света ("красный" луч ближе к наблюдателю) проходит через диафрагму 10 и отражается от глухого зеркала 11 в обратно напралении от призмы 8 уходит уже скомпенсированный импульс. Перемещая диафрагму и изменяя её ширину, можно регулировать длину волны и длительность импульса соответственно. Изменение полуширины спектра соответствует изменеию длительности, так как импульс в таком лазере получается спектрально ограниченный, т.е. такой у которого полуширина обратно пропорциональна длительности.

В нелинейной оптике обычно применяют диэлектрические зеркала. Это такие зеркала, которые получают путём напыления нескольких слоёв диэлектрических материалов с заданным коэффициентом преломления и тощиной слоя. Такое зеркало отражает свет гораздо лучше чем металлическое. Однако у таких зеркал есть недостатки. Обычно диэлектрическое зеркало рассчитывают так, чтобы максимальный коэффициент отражения был для узкого спектрального диапазона и для узокого диапазона углов падения. В других диапазонах спектра и углов падения такое зеркало отражает гораздо хуже.

[править] Усилитель сверхкоротких импульсов

[править] Контроль и измерение сверхкоротких ипульсов

[править] История развития лазеров УКИ

[править] 1-е поколение

Лазер с использованием модуляции добротности и внутрирезонаторного просвеляющегося поглотителя.

[править] 2-е поколение

Лазеры на красителях (с использованием просветляющегося поглотителя и кольцевого резонатора)

[править] 3-е поколение

Лазеры на вибронных кристаллах с керровской линзой.

[править] 4-е поколение

Волоконные лазеры с диодной накачкой.

[править] Применение

Нелинейная оптика (генерация второй, третьей, n-ой гармоники и получение сверхкоротких ипульсов в различных диапазонах длин волн и сверхкоротких ипульсов частиц; генерация суперконтинуума (так называемый белый лазер); высокотемпературное фотонное эхо и эхо-процессоры), исследование быстротекущих процессов, фемтохимия, прецизионная спектроскопия, оптические стандарты частоты, инициирование фотоядерных реакций (в том числе и управляемого термоядерного синтеза), оптическая томография и микроскопия, прецизионная обработка материалов, опыты по нелинейной квантовой электродинамике (в том числе и релятивисткое взаимодействие излучения с веществом), лазерный гироскоп, телекоммуникации (передача больших объёмов данных).

[править] Ссылки, литература

• Gavin D.Reid, Klaas Wynne"Ultrafast Laser Technology and Spectroscopy", Encyclopedia of Analytical Chemistry, John Wiley & Sons Ltd, Chichester, 2000 http://bcp.phys.strath.ac.uk/ultrafast/reprints/2000/2000-EAC.pdf
• Й.Херман Б.Вильгельми «Лазеры сверх коротких световых импульсов» М. Мир 1986 (Joachim Herrmann, Bernd Wilhelmi, «Laser für ultrakurze lichtimpulse» Akademie-Verlang Berlin 1984)
• П. Г. Крюков «Лазеры ультракоротких импульсов» Квантовая электроника, 31, № 2 (2001), стр. 95