5.5 Генерация и применение импульсов света ультракороткой длительности
Благодаря развитию и совершенствованию лазерной техники и квантовой электроники, последнее десятилетие знаменуется революционными достижениями в области получения импульсов света ультракороткой длительности вплоть до долей периода световой волны (диапазон пико-, фемто- и аттосекунд). Это открывает перспективы для исследования воздействия излучения на быстропротекающие процессы в веществах: в спектроскопии со сверхвысоким временным разрешением, в фемтохимии, для точного измерения интервалов времени и частот оптических квантовых переходов с последующим созданием сверхточных оптических стандартов частоты-времени и оптических часов. Определяемая ультрамалой длительностью импульса, сверхвысокая импульсная мощность излучения (порядка единиц петаватта) вызывает новые нелинейно-оптические явления при взаимодействии излучения с веществом, обеспечивает нагрев вещества до температур порядка 106К, ускорение электронов плазмы до релятивистских скоростей и др. [9].
Рассмотрим два примера построения лазеров ультракоротких импульсов (УКИ). На рисунке 13 показана оптическая схема KLM-лазера (Kerr Lens Mode-locked laser). Используется режим пассивной синхронизации мод твердотельного лазера, теория которого описана в [2]. Активной средой лазера является кристалл сапфира Al2O3:Ti3+, имеющий наиболее широкую полосу усиления (от λ=0,66 мкм до 1,1 мкм) с максимумом усиления на 780 нм (см., [4]).
Рисунок 13 – Схема лазерной установки, генерирующей ультракороткие импульсы оптического излучения
Рисунок 14 – Блок-схема СРА генерации ультракоротких импульсов
Накачка осуществляется либо излучением второй гармоники неодимового лазера (с активным стержнем из YLiF4:Nd3+ или стекла:Nd3+) с λ=530 нм (см., [4]), либо излучением Ar+-газового лазера λ=514,5 нм (см., [3]). К “пассивному” модулятору (“самопросветляющейся” ячейке) предъявляется зачастую невыполнимое требование малого времени релаксации порядка длительности УКИ (или обратной величины ширины полосы усиления), поэтому вместо ячейки обычно используется эффект “самофокусировки” света в кристалле за счёт “нелинейности керровского типа”, заключающейся в зависимости показателя преломления среды от интенсивности света. Эффект “керровской линзы” возникает непосредственно в самом кристалле сапфира. Диафрагма на рисунке 13 пропускает только высокоинтенсивный свет, концентрирующийся у оптической оси за счёт самофокусировки – по аналогии с эффектом увеличения пропускания “самопросветляющейся” ячейки при росте интенсивности света.
При этом, вследствие положительной дисперсии сред, в том числе и сапфира, происходит т.наз. “чирпирование” импульса, т.е. изменение частоты света во времени: низкочастотная часть спектра “обгоняет” высокочастотную, и в результате лазерный импульс может растянуться во времени. Для компенсации этого эффекта используется устройство с “отрицательной” дисперсией – компенсатор дисперсии групповых скоростей (ДГС), двухпризменный вариант которого показан на рисунке 13. Первая призма разводит свет по длинам волн (частотам), а вследствие разности хода лучей различной частоты во второй призме, эффективное время прохождения лазерного кристалла и компенсатора ДГС всеми составляющими спектра импульса будет одинаковым.
На рисунке 14 приведена блок-схема мощного генератора УКИ света, построенного по принципу “Chirp Pulse Amplification” (CPA). Задающий генератор (лазер) формирует импульс света наносекундной длительности, который затем направляется в устройство, растягивающее импульс во времени (эспандер) и за счёт этого понижающее его интенсивность (мощность), а также осуществляющее частотную модуляцию света во времени (“чирпирование”). Далее этот импульс усиливается одно- или многокаскадным усилителем и попадает в устройство, называемое компрессором, и сжимающее импульс во времени, за счёт чего импульсная мощность многократно возрастает.
В качестве задающего генератора может выступать KLM-лазер. Эспандер состоит из двух дифракционных решеток. После прохождения усилителя энергия в импульсе возрастает на 3-4 порядка величины, при этом интенсивность (мощность) остаётся невысокой, что не приводит к нелинейно-оптическим явлениям и повреждениям кристаллов усилителей. Как и эспандер, компрессор состоит из двух дифракционных решеток, ориентированных так, что разность хода составляющих спектра эквивалентна “отрицательной” дисперсии.
По CPA-схеме построены установки, генерирующие световые импульсы длительностью до единиц фемтосекунд с рекордными мощностью до 1014 ТВт и интенсивностью до 2·1022 Вт/см2 [9].
Фемтосекундный лазер позволяет с помощью специальных оптических волокнах осуществить генерацию т.наз. суперконтинуума–когерентного излучения с ультрашироким спектром с эквидистантными составляющими. А это в свою очередь позволяет сопоставить (сравнить) частоты цезиевой АЛТ (~1010 Гц) и газового лазера (~1014…1015 Гц)