Генерация 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-, фемтои 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. [15].

Рассмотрим два примера построения лазеров ультракоротких импульсов (УКИ). На рис. 5 показана оптическая схема KLM-лазера (Kerr Lens Mode-locked laser). Используется режим пассивной синхронизации мод твердотельного лазера, теория которого описана в 3. Активной средой лазера является кристалл сапфира Al₂O₃:Ti³⁺, имеющий наиболее широкую полосу усиления (от л=0,66 мкм до 1,1 мкм) с максимумом усиления на 780 нм. Накачка осуществляется либо излучением второй гармоники неодимового лазера (с активным стержнем из YLiF₄:Nd³⁺ или стекла: Nd³⁺) с л=530 нм, либо излучением Ar⁺-газового лазера л=514,5 нм. 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 рис. 5 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 рис. 5. 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 рис. 6 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 одноили 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 Центром ультрабыстрых оптических явлений Мичиганского университета построена установка «Hercules», которая генерирует световые импульсы длительностью до 16фс с рекордными мощностью до 300 ТВт и интенсивностью до 2· 10²² Вт/см² [16].