Московский государственный технический университет радиотехники,
электроники и автоматики
Кафедра физики конденсированного состояния
, Н. Э Шерстюк
ГЕНЕРАЦИЯ И УСИЛЕНИЕ УЛЬТРАКОРОТКИХ ЛАЗЕРНЫХ ИМПУЛЬСОВ
Модуль 2.3.2
Учебно-методическое пособие по курсу лекций
Москва 2012
План лекций
Лекция 1. Введение
1.1 Основные особенности фемтосекундного излучения
1.2 Математические определения
Лекция 2. Дисперсия ультракоротких импульсов
2.1. Угловая дисперсия и дисперсия групповой скорости
2.2. Фазовая и групповая скорости
2.3. Дисперсия групповой задержки (ДГЗ)
2.4. Отрицательная дисперсия групповой задержки
2.5. Компрессия импульса
2.6. Чирпированные зеркала
Лекция 3. Генерация ультракоротких импульсов
3.1.Роль ширины полосы люминесценции
3.2.Способы укорочения импульсов
3.2.1.Лазерная накачка
3.2.2 Лазерные моды
3.2.3. Модуляция добротности
3.2.4.Пассивная синхронизация мод и насыщающий фильтр
3.2.5.Керровская линза в лазере на кристалле сапфира, допированного ионами титана ( Ti:Sapphire лазер)
3.2.6.Активная синхронизация мод
3.2.7. Другие способы синхронизации мод
3.3.Ограничивающие факторы
3.4.Коммерческие лазеры
Лекция 4. Усиление фемтосекундных импульсов.
Лекция 5. Волоконные фемтосекундные лазеры
5.1. Активные волокна
5.2. Резонатор с использованием волоконных брэгговских решёток
5.3. Кольцевые резонаторы
5.4. Синхронизации мод в волоконном лазере
5.5. ВКР-лазеры
5.6. Волоконные лазеры на фотонных кристаллах
5.7. Солитонный лазер
5.8. Модель
Лекция 6. Методы измерения параметров ультракоротких лазерных импульсов
6.1.Автокорреляция интенсивности
6.2.Восстановление фазы
6.3.Случай единичного импульса
6.4 Особенности спектральных и автокорреляционных методов
6.4.1.FROG – Frequency Resolved Optical Gating – оптическое стробирование с разрешением по частоте
6.4.2. SPIDER – Spectral Phase Interferometry for Direct Electric-Field Reconstruction – спектральная фазовая интерферометрия для прямой реконструкции электрического поля
Лекция 7. Применение фемтосекундных лазеров - 1.
7.1. Нелинейно-оптические явления при взаимодействии фемтосекундных импульсов с веществом
7.1.1. Природа нелинейно-оптических эффектов
7.1.2. Уравнения Максвелла в нелинейной среде
7.1.3. Нелинейная среда
7.1.4. Генерация второй гармоники
7.1.5. Генерация суммарных и разностных частот
7.1.6. Двухфотонная люминесценция
7.2. Многофотонная микроскопия
7.3.Фемтосекундная спектроскопия
Лекция 8. Применение фемтосекундных лазеров – 2 (Микрообработка ультракороткими лазерными импульсами)
8.1. Основные особенности фемтосекундной микрообработки
8.2. Теория
8.3. Примеры
Лекция 1. Введение
Фемтосекунда составляет 10-15 сек. Чтобы понять, насколько это мало, нужно найти физические процессы или объекты, обладающие такой длительностью. Один пример находится очень легко. Период колебаний световой волны видимого диапазона (400-800 нм) составляет 1.3 – 2.6 фс. Если помнить об этом, то можно сказать, что вместе со светом мы «видим» фемтосекундны ежедневно вокруг нас.
Можно ли получить световой импульс длительностью 1 фс? На первый взгляд ответ отрицательный, поскольку для того, чтобы иметь световую волну, необходимо иметь хотя бы 1–2 колебания. Поэтому оптические импульсы у вас неизбежно получаются длительностью несколько фемтосекунд. И хотя в основной части курса мы действительно будем рассматривать импульсы длительность по крайней мере в несколько периодов колебаний (десятки и сотни фемтосекунд), существуют и более короткие световые аттосекундные импульсы.
Для определения места фемтосекунд в нашем мире на рисунке 1 приведена временная шкала от атто (10-18 ) до экса (1018) секунд.
Рис. 1. Временная шкала вселенной
Интересен тот факт, что с точки зрения человеческого зрения или, другими словами, с точки зрения видимой области спектра, фемтосекундные импульсы также занимают особое положение. Эта особенность связана со спектром фемтосекундных импульсов.
Для понимания этой особенности вспомним преобразования Фурье и применим его к выражению для поля электромагнитной волны.
 |
 |
С преобразованиями Фурье связаны важные понятия, которые будут использоваться в дальнейшем. Говорят, что функции, зависящие от времени, определены во временном пространстве. К ним относятся амплитуда и фаза. Функции, зависящие от частоты, определены в частотном пространстве. К ним относятся частотная амплитуда или спектр, а также частотная фаза.
Рис. 2. Форма волны (слева) и соответствующий спектр (справа)
Спектр плоской волны представляет собой дельта-функцию (рис. 2). Спектр дельта-функции является бесконечно широким. Спектр длинного импульса относительно узок. Спектр короткого импульса достаточно широк. В чем заключается упомянутая особенность фемтосекундного импульса? В том, что спектр импульса длительностью 5 фс составляет величину порядка 160 нм, то есть половину всего видимого спектра!
Отметим, что такую же оценку можно получить из соотношения неопределенностей.
Источником фемтосекундных импульсов является лазер. Путь от первого лазера, который также являлся импульсным, однако с длительностью порядка миллисекунд, до фемтосекундного лазера занял около 25 лет. Укорочение импульсов осуществлялось по двум направлениям: создание ультракоротких (УКИ) импульсов непосредственно в резонаторе лазера, а также создание методов укорачивания (компрессии) более длинных (пикосекундных) импульсов за счет процессов взаимодействия УКИ с веществом.
Особенность взаимодействия УКИ с веществом основана на явлении временной дисперсии. Напомним, что дисперсией называется зависимость фазовой скорости волны от частоты. Один из самых наглядных примеров дисперсии — разложение белого света в спектр при прохождении его через призму. При прохождении через призму различные частоты распространяются в различных направлениях, именно поэтому спектр можно наблюдать на экране. Однако дисперсия существует и без призмы, хотя в этом случае для ее наблюдения недостаточно экрана.
Пропустим исходный импульс через диспергирующую среду. Тогда образующие импульс частотные составляющие, двигаясь в среде с нормальной дисперсией с разной скоростью, приведут к хроматической аберрации импульса во временной области: красные лучи, движущиеся с повышенной скоростью, окрасят переднюю часть импульса в красный цвет, а более медленные и отстающие синие лучи окрасят заднюю часть импульса в синий цвет. Дисперсия разлагает импульс на цвета во времени, также как призма за счёт дисперсии разлагает белую полоску на цвета, окрашивая один её конец в красный цвет, а другой – в синий. В результате импульс по мере движения в среде будет равномерно расплываться, а частота будет меняться вдоль импульса (рис. 3). Импульс, частота которого изменяется вдоль импульса, называется чирпированным (от английского слова chirp – "чирик", "чириканье"). Рассмотренный импульс называется отрицательно чирпированным импульсом или отрицательным чирпом.
Отметим, что явление расплывания за счет дисперсии и чирпирования существует для любого импульса, однако заметным оно становится только в том случае, если в импульсе содержится счетное число периодов колебаний.
Рис. 3. Формирование чирпированного импульса в диспергирующей среде.
В случае аномальной дисперсии, наоборот, красные лучи движутся медленнее, чем синие, поэтому передняя часть импульса будет окрашена в синий, а задняя – в красный цвет. Дисперсия изменяет не только исходный, нечирпированный импульс. Если послать отрицательно чирпированный импульс на среду с аномальной дисперсией, то импульс сожмется во временном пространстве.
