На сегодняшний момент времен существует огромное количество разных типов и моделей лазеров. Серийно производимые лазеры могут генерировать излучение от УВ до ИК области спектров. Импульсные лазеры обладают энергией импульса до нескольких Дж и длительностью импульса до нескольких десятков ФС. Уникальные лазерные системы могут генерировать импульсы с энергией до 1 МДж и длительностью до десятых долей фс (это делают разные лазерные системы), т. Е. генерировать излучение атто-секундной длительностью.

1 фс=10^-15 с

1 ас=10^-18 с (1)

Последние несколько десятков лет получили бурное развитие лазеры с ультракороткими лазерными импульсами (УКИ), т. е. длительностью пс…фс диапазона. Это обусловлено уникальными особенностями таких лазеров:

1. Предельно короткая длительность импульса, лазерный импульс содержит всего несколько периодов колебаний электромагнитного поля

2. Гигантские пиковые мощности, измеряемые ПВт=10¹⁵ Вт. Такие гигантские пиковые мощности при разумных габаритах могут быть достигнуты только при использовании УКИ

По типу работы лазеры можно разделить на следующие группы:

* в ряде систем эта величина значительно меньше и может достигать ед. Гц.

История развития лазеров уки

Почти сразу же за открытием метода модуляции добротности резонатора лазера (Q-модуляции), позволившей увеличить типовую мощность лазерного излучения на несколько порядков, был открыт еще один весьма эффективный метод генерации лазерного излучения в виде УКИ – метод синхронизации мод. В отличии от метода модуляции добротности этот метод позволяет получить импульс с длительностью значительно меньшей времени обхода резонатора. Суть метода заключается в генерации большого числа продольных мод с определенным фазовым соотношением. В результате интерференции этих мод временная зависимость интенсивности излучения приобретает вид незаконченной последовательности импульсов с длительностью, обратно пропорциональной ширине спектра, охватывающего эти моды, и периодом, равным времени обхода.

Такой режим генерации может осуществляться при введении в резонатор модулятора излучения. Частота модуляции должна быть равной или кратной межмодовому частотному интервалу.

Вскоре было установлено, что периодическая последовательность УКИ может и без такого модулятора, но при введении в резонатор кюветы с просветляющим красителем, предназначенной для СМ.

Поскольку модулятора не требовалось, то такая методика получила название пассивной СМ.

Измерение длительности таких лазеров УКИ с помощью быстродействующих фотоприемников и осцилляторов показали, что она лежит за пределами временного разрешения используемой аппаратуры (около 1 нс). В связи с этим были предложены и реализованы методы косвенного измерения длительности УКИ, основанные на регистрации автокорреляционной функции интенсивности с помощью явлений нелинейной оптики. Применение данных методов показало, что длительность УКИ составляет несколько десятков пс.

Сочетание СМ с модуляцией добротности позволило достичь огромную, по масштабам того времени пиковую мощность. В этом случае импульс лазера представлял собой последовательность очень коротких импульсов с огибающей, получаемой методом модуляции добротности.

Таким образом, лазер с использованием внутрирезонатроного просветляющего поглотителя с одновременной модуляцией добротности и СМ стал лазером УКИ 1го поколения. Лазеры 1го поколения используют в качестве АС рубин или стекло с неодимом.

2е поколение лазеров УКИ появилось в результате открытия лазеров на органических люминесцентных красителях. Особенность АС этих лазеров была огромная ширина полосы усиления, позволяющая создавать лазеры с плавной перестройкой длины волны в широком диапазоне. Эа особенность сделала лазеры на красителях привлекательным объектом исследований по генерации УКИ.

Лазеры 2го поколения появились в начале 70х годов. Сначала лазер на красителе накачивала импульсная лампа. Позднее было показано, что лазер на красителе можно запустить в непрерывном режиме (т. е. непрерывная генерация УКИ через равный интервал времени) используя для накачки аргоновый лазер.

Выдающимся событием в развитии лазеров УКИ стал запуск этого непрерывно работающего лазера на красителе (родамин 6ж) в режиме ПСМ. Для этого вводился просветляющий поглотитель – струя красителя DODCI. Длительность импульса такого лазера удалось сократить до 0,5 пс.

В отличие от твердотельных лазеров, сечение лазерного перехода в красителях очень велико и лишь в несколько раз меньше сечения поглощения. Поэтому отсутствует модуляция добротности, а АС и поглотитель насыщаются почти в равной мере.

Соответственно K_ус для красителей на 2..3 порядка выше, чем для АИГ : Nd. Поэтому для равной K_ус в АИГ : Nd лазерах надо создать большую ΔN (инверсию населенности). Большую инверсию населенности можно создать за счет ее «накопления», которое реализуется при закрытом модуляторе добротности.

Поэтому в лазерах 1го поколения используют МД, а в лазерах на красителях 2го поколения – нет.

Лазер непрерывного действия на красителях с ПСМ стал главным объектом исследований, направленных на сокращение длительности УКИ. Именно с его помощью был совершен прорыв в фемтосекундную область. Используя конструкцию кольцевого резонатора, удалось обеспечить оптимальный режим ПСМ в так называемых CPM (colliding pulse modelocked laser) – лазер в режиме встречных импульсов. В результате длительность УКИ не превышала 100 фс.

При столь малых длительностях импульса существенную роль начинает играть дисперсия групповой скорости (ДГС) среды, через которую проходит лазерный импульс. Применив компенсатор ДГС в режиме встречных импульсов удалось получить УКИ длительностью 27 фс.

В итоге разработка лазеров УКИ на красителях позволила получать непрерывные последовательности УКИ длительностью в десятки фс. Возникло 2 направления развития лазеров УКИ. Первое – использование твердотельных лазеров с ламповой накачкой, генерирующих пс-импульсы высокой мощности. Второе – использование лазеров на красителях непрерывного действия со сравнительно малой мощностью, но с фс-импульсами. Дальнейший прогресс фемтосекундных лазеров был связан с развитием лазерных систем непрерывного действия, использующих лазерную накачку.

Значительным этапом в развитии твердотельных лазеров УКИ стало создание твердотельных лазерных материалов, пригодных для генерации УКИ. В результате появились так называемые вибронные кристаллы с широкими полосами поглощения и усиления: Al₂O₃ (сапфир), Cr ³⁺ : Li Ca Al F₆ (Li CAF); Cr ³ : Li Sr Al F₆ (Li SAF); Cr ⁴⁺ : Mg₂ Si O₄ (форстерит); Cr ⁴⁺ : YAG (черный гранат) и др., на которых была получена непрерывная генерация фс-импульсов. Для накачки таких АС использовались Ar, Kr – лазеры, Nd: YAG – лазер и его 2я гармоника, полупроводниковые диоды. Замена струй красителей вибронными кристаллами сделала фс-лазеры компактными и надежными в эксплуатации.

При работе с лазером непрерывного действия (непрерывная последовательность УКИ) на Ti: сапфире был открыт новый метод ПСМ. Оказалось, что самофокусировка в лазерном стержне в сочетании с диафрагмой действует подобно просветляющему поглотителю. Поскольку эффект самофокусировки в твердом теле основан на керровской нелинейности показателя преломления, он не требует резонансного поглощения, а его действие практически безынерциально. Этот метод получил название KLM (Kerr-lens modelocking). Лазеры на вибронных кристаллах с ПСМ за счет керровской нелинейности стали 3им поколением лазеров УКИ. Их усовершенствование привело к генерации УКИ длительностью 5.4 фс (менее 2х периодов световой волны, т. е. почти достигнут теоретический предел в 1 период).

Лазеры 3го поколения были созданы в самом начале 80х годов.

Страница 7

В отличие от лазеров с просветляющим поглотителем, лазеры УКИ использующие

керровскую нелинейность, могут не обладать самозапуском режима СМ, т. е. процесс начально дискриминирования флуктационных токов может подавляться. В этом случае требуется специальные меры для инициализации СМ. Или могут быть:

• использованы просветляющиеся поглотителя с низким уровнем поглощения;

• пьезоэлектрические привода одного из зеркал с электронной обратной связью;

• амплитудные модуляторы;

• механический толчок-щелчок по зеркалу резонатора или быстрое движение одной из призм компенсатора ДГС;

• синхронная накачка;

Несмотря на прекрасные характеристики ФС-лазеров с керровской нелинейностью, у них есть существенный нелостаток-высокие требования к лазеру накачки. Он должен работать с достаточно высокой и стабильной выходной мощностью, иначе даже с устройством самозапуска, использование которого сопряжено с повышением порога генерации, режим генерации испускаемого луча ФС-лазеров будет срываться. Эти требования увеличивают стоимость лазера ФС-импульсов, которая, как правило, определяется стоимостью лазера накачки.

Решением этой проблемы стало разработка и изучение волоконных лазеров УКИ с диодной накачкой, которые и стали 4ым поколением лазеров УКИ. Были созданы лазеры на волокне, активированные ионнами Nd, Yb(Итербий), Er(Эрбий).

В заключении исторического обзора развития лазеров УКИ рассмотрим эволюцию уменьшения длительности УКИ.

Лазеры на красителях Лазер Ti: сапфир

Год

Пунктиром обозначен теоретический предел.

Дальнейшее уменьшение длительности импульсов возможно при уменьшении z.

Из данного рисунка видно, что за 30 лет развития длительность УКИ уменьшилась более чем в 100 раз.

Создание лазеров УКИ 3его поколения позволило значительно уменьшить длительность импульсов.