Laserele cu impulsuri ultrascurte ( extrem de scurte ) , laserele USP (PKI), laserele femtosecunde sunt generatoare cuantice optice capabile să genereze impulsuri de radiație laser care conțin un număr destul de mic de oscilații ale câmpului optic.
În cazul general, impulsurile mai scurte de 100 de picosecunde pot fi numite impulsuri laser ultrascurte. Cu toate acestea, din punctul de vedere al creării de noi sisteme laser, cercetările în domeniul creării de impulsuri mai scurte de 1 picosecundă sunt relevante, deoarece o durată a impulsului de ordinul a 50 de picosecunde poate fi deja realizată folosind sisteme relativ ieftine bazate pe diode laser .
Laserele cu impuls ultrascurt existente au atins durate de ordinul a 5 femtosecunde. Există rapoarte despre crearea de sisteme experimentale cu o durată a impulsului de attosecundă.
Trăsături de caracter:
Principiul de funcționare al laserelor USP se bazează pe blocarea modului într-o cavitate laser . Există două scenarii posibile pentru generarea USP. Într-o versiune, generarea începe imediat în toate modurile cu o fază și o intensitate aleatoare, iar apoi are loc abandonul, în urma căreia toate modurile devin cuplate rigid (doar modurile cu anumite frecvențe și intensități rămân în rezonator), deci un singur impuls rămâne în rezonator cu durată foarte scurtă. A doua opțiune este că generarea începe la un singur mod, dar apoi, ca rezultat al interacțiunii intermodale, generarea este excitată și la alte moduri cu diferența de fază și intensitatea relativă necesare, ca urmare a faptului că imaginea devine exact aceeași ca în primul caz. Modelarea pulsului are loc de obicei în 10 treceri de rezonator. În alte 10-20 de treceri, are loc procesul de scurtare și amplificare a impulsurilor și, în final, se obțin USP-uri stabile. În procesul de scurtare și amplificare a impulsurilor, procesele neliniare sunt de mare importanță. Astfel, marginea anterioară devine mai abruptă după trecerea printr-un absorbant albitor (sau ca urmare a autofocalizării (lentila Kerr) în mediul activ și a separării doar a părții „intense” a pulsului). Marginea de fugă este scurtată ca urmare a faptului că inversiunea populației nu are timp să se refacă în timp ce pulsul trece prin mediul activ. Pentru ca procesele de amplificare si scurtare a pulsului sa fie cat mai eficiente, este necesar sa se aleaga mediul activ cat mai subtire, iar puterea pompei sa fie mai mare (dar sa nu depaseasca limitele generarii stabile a impulsului).
Există blocare în mod activ și pasiv. Deci, în cazul blocării modului activ, este necesar un dispozitiv special care va bloca direct modurile (pompare sincronă sau un modulator special în modul Q-switched - Q-modulation), în timp ce cu blocarea pasivă acest lucru se întâmplă automat datorită caracteristici de proiectare. Laserele cu sincronizare activă practic nu sunt folosite astăzi din cauza complexității fabricării dispozitivelor de sincronizare. Laserele blocate pasiv au două praguri de laser. Primul este destul de obișnuit; atunci când pomparea depășește primul prag, laserul USP funcționează ca un laser reglabil convențional. Când puterea pompei a celui de-al doilea prag este depășită, se creează condiții favorabile pentru formarea USP-urilor, cu toate acestea, pentru a începe generarea, pot fi necesare acțiuni suplimentare, de exemplu, o mișcare rapidă sau o apăsare a compensatorului GVD (Dispersia vitezei grupului). ), de obicei, acest lucru este necesar pentru apariția unei explozii de zgomot, din care secvența USP se va dezvolta în continuare.
Cele mai populare lasere de astăzi bazate pe titan-safir cu lentilă Kerr (generația a 3-a) și lasere cu fibră cu pompare cu diode (generația a 4-a). Primele sunt utilizate în principal în condiții de laborator și vă permit să obțineți o energie puls mare; al doilea, mai compact și mai economic, este utilizat în mod activ în scopuri aplicate (de exemplu, în telecomunicații). Cu toate acestea, partea principală a laserului USP, ca oricare altul, este un rezonator cu un mediu activ. Spre deosebire de alte lasere, mediul activ trebuie să aibă o amplificare suficientă într-o regiune spectrală largă. Laserele de a treia generație sunt caracterizate printr-o schemă cu două cavități:
unu 2 3 patru 5 6 7 opt 9 zece unsprezece 12
Figura de mai sus prezintă un design tipic cu laser de a treia generație, un laser Ti:sapphire cu blocare în mod pasiv datorită unei lentile Kerr. Mai jos este o diagramă a acestui laser (numerotarea elementelor este aceeași). Acest design a fost instalat în Laboratorul de Fotochimie Moleculară al Institutului Fizico-Tehnic din Kazan, numit după V.I. E. K. Zavoisky . Această configurație a fost folosită pentru a obține secvențe de impulsuri USP cu o durată de 50–60 fs și o rată de repetiție de 80 MHz, cu un centru de impuls în intervalul 780–800 nm și o jumătate de lățime de aproximativ 20 nm. La instalatii de acest tip in strainatate[ unde? ] laboratoarele au primit impulsuri cu o durată de până la 5,4 fs (mai puțin de două perioade de undă luminoasă).
Această fotografie arată toate elementele principale ale laserului USP:
Diagrama prezintă toate elementele principale ale laserului, fasciculul format (roșu aprins) și unul mai slab (roșu închis) care este implicat în formarea impulsurilor ultrascurte, un compensator DHS cu prismă, o diafragmă pentru reglarea lungimii de undă, o internă și rezonator extern, pompare (verde) .
Trebuie remarcat faptul că toate elementele optice care sunt utilizate în optica neliniară sunt în mod necesar acoperite. Și în loc de oglinzi metalice obișnuite, sunt folosite cele dielectrice. În plus, pentru a obține impulsuri mai scurte, speciale, așa-numitele. oglinzi „ciripit” .
Operare cu laserÎn primul rând, laserul pompei este pornit , iar puterea este crescută până la pragul de generare (mai precis, puțin peste primul prag, dar încă nu există generare USP). Dacă este necesar, oglinzile sunt reglate pentru a obține intensitatea maximă a radiației laser. Dacă reglarea a fost efectuată de-a lungul lungimii de undă, atunci aceasta este o procedură obligatorie. Pentru a începe generarea de USP, este necesară o mică apăsare a bazei prismei 8 sau 9 pentru a crea niște vârfuri de fluctuație. Durata acestor vârfuri de fluctuație în stadiul inițial este invers proporțională cu lățimea liniei de amplificare (care se află de obicei în regiunea de 10-13 s). După una până la două mii de treceri, durata crește de obicei la 10–11 s datorită amplificării mai mari a modurilor situate în centrul liniei de câștig; cu toate acestea, după una până la două mii de treceri, cea mai mare creștere a fluctuației atinge o astfel de intensitate. că efectele neliniare joacă un rol semnificativ în comportamentul său, și anume modificarea indicelui de refracție și auto-focalizarea într-un cristal Ti:safir. Datorită autofocalizării ( efectul Kerr neliniar ), această creștere a fluctuațiilor înregistrează mai puține pierderi în rezonatorul intern (pentru că este mai bine focalizat)
, astfel amplifică mai bine decât altele, iar datorită intensității sale (relativ) ridicate, reduce inversiunea populației, iar emisiile mai puțin intense sunt sub pragul de amplificare. Atunci când intensitatea unui impuls USP aproape format atinge o astfel de valoare încât cea mai mare parte a inversării populației este eliminată în timpul trecerii acestui impuls prin amplificator, laserul intră într-un mod de funcționare monopuls stabil (adică doar un impuls poate fi în rezonator la un moment dat), care corespunde cu repetarea în frecvență a impulsurilor de aproximativ 100 MHz (cu lungimea rezonatorului extern (oglinzile numerotate 11-12 în fotografie) de aproximativ 1 metru).
Trebuie remarcat faptul că compensatorul de prismă DGS (8–9) joacă un rol important în acest proiect. Atunci când un impuls se propagă printr-un mediu, acesta suferă distorsiuni datorită faptului că dispersia (indicele de refracție) este diferită pentru lungimi de undă diferite (aceasta se numește Dispersie de viteză de grup sau dispersie de ordinul doi). Intensitatea pulsului este atât de mare încât, atunci când se propagă prin mediu, dispersia ordinelor trei și uneori chiar superioare începe să joace un rol. Pentru a corecta aceste distorsiuni (pentru ca pulsul să nu „ceapă” în timp, sau, cu alte cuvinte, pentru a compensa „ciripiul”), este instalat fie un compensator special (o pereche de rețele de difracție sau prisme), fie un „ciripit” special. ” se folosesc oglinzi.
Compensatorul DGS funcționează după cum urmează. Pulsul după prisma 8 este descompus într-un spectru. După prisma 9, un fascicul paralel de lumină (razul „roșu” mai aproape de observator) trece prin diafragma 10 și este reflectat de o oglindă surdă 11. În direcția opusă, un impuls deja compensat (datorită lungimii căii optice diferite) pleacă. prisma 8. Prin deplasarea diafragmei și modificarea lățimii acesteia, puteți regla lungimea de undă și, respectiv, durata pulsului. O modificare a lățimii spectrului corespunde unei modificări a duratei, deoarece pulsul într-un astfel de laser este limitat spectral, adică unul în care jumătatea lățimii este invers proporțională cu durata.
Durata pulsului depinde foarte mult de grosimea cristalului de Ti:safir - cu cât cristalul este mai subțire, cu atât pulsul este mai scurt. Compensatorul DGS joacă, de asemenea, un rol semnificativ: dacă pulsul este ciripit (adică frecvența purtătoarei se schimbă pe durata pulsului), atunci durata acestuia va fi mai lungă. Funcționarea laserului este, de asemenea, afectată semnificativ de reglarea (reglarea poziției elementelor) laserului, stabilitatea laserului pompei și parametrii acestuia (în principal puterea). Principala problemă cu care trebuie să lupți constant într-un astfel de design cu laser este instabilitatea termică. Dacă laserul pompei și mediul activ sunt stabilizate printr-un sistem de răcire (apă curentă), atunci este destul de dificil să stabilizați rezonatorul în sine - în funcție de temperatură, lungimea optică a rezonatorului se modifică, iar laserul trebuie reglat din nou. . Pentru a pierde generația, sunt suficiente fluctuații mici - puteți pur și simplu să „sufleți” impulsurile fără a sufla foarte puternic pe rezonator.
În optica neliniară, se folosesc de obicei oglinzi dielectrice. Acestea sunt oglinzi care sunt obținute prin depunerea mai multor straturi de materiale dielectrice cu un indice de refracție și grosimea stratului dat. O astfel de oglindă reflectă lumina mult mai bine decât una metalică. Cu toate acestea, astfel de oglinzi au dezavantaje. De obicei, o oglindă dielectrică este proiectată astfel încât reflectanța maximă să fie pentru un interval spectral îngust și pentru o gamă îngustă de unghiuri de incidență. În alte game ale spectrului și unghiurilor de incidență, o astfel de oglindă reflectă mult mai rău.
Cheia pentru acordarea și acordarea de-a lungul lungimii de undă sunt pozițiile oglinzii 6, diafragmei și prismelor. Laserul este reglat pentru a genera impulsuri de femtosecundă prin mișcarea oglinzii 6. Poziția prismelor 8 și 7 este modificată după caz.Lungimea de undă este reglată prin mișcarea diafragmei.
Pentru a amplifica impulsurile ultrascurte, se folosește o tehnică specială numită Chirped Pulse Amplification. Deoarece o amplificare mare a unui impuls ultrascurt va duce la deteriorarea elementelor optice, pulsul este „întins” în timp înainte de amplificare și „comprimat” după amplificare. Pentru laserele terawatt și petawatt, în timpul amplificării, fasciculul laser este mărit în diametru cu ajutorul unui telescop (de exemplu, folosind două lentile de mărire, una în focalizarea celeilalte).
Pentru a „întinde” pulsul în timp, se folosește un design de două rețele de difracție, care produce o astfel de modulație de fază (chirp) încât durata impulsului crește cu un factor de 10 sau mai mult.
Când durata impulsurilor laser este mai mică de 10–12 s, metodele de înregistrare optoelectronice convenționale (de exemplu, înregistrarea unui semnal fotodiodă cu un osciloscop) nu mai sunt potrivite. Prin urmare, pentru înregistrarea impulsurilor femtosecunde se folosesc metode optice, cum ar fi autocorelația, generarea de a doua armonică etc. În ultimul deceniu, metode precum FROG ( Frequency-Resolved Optical Gating ) și SPIDER ( Spectral phase interferometry for direct electric-field reconstruction )).
Laser Q-switched cu un absorbant de albire intracavitate.
Laser colorat (folosind un absorbant albitor și un rezonator inel )
Lasere pe cristale vibronice cu lentilă Kerr.
Laser cu fibră pompată cu diodă .
lasere cu ghid de undă.