Содержание
- 2. Литература: П.Г. Крюков / Лазеры ультракаротких импульсов и их применения / - Долгопрудный: Изд. Дом «Интеллект»,
- 3. УЛЬТРАКОРОТКОИМПУЛЬСНЫЕ ЛАЗЕРЫ В методах, получения коротких лазерных импульсов путем открытия или переключения затвора (модуляции добротности резонатора
- 4. УЛЬТРАКОРОТКОИМПУЛЬСНЫЕ ЛАЗЕРЫ Результат сложения волн зависит не только от амплитуд, но и от их взаимных фаз,
- 5. УЛЬТРАКОРОТКОИМПУЛЬСНЫЕ ЛАЗЕРЫ Известно, что периодическую последовательность импульсов любой формы можно представить суммой синусоид с кратными частотами
- 6. УЛЬТРАКОРОТКОИМПУЛЬСНЫЕ ЛАЗЕРЫ Однако существует принципиальное различие между математической формулой ряда Фурье и физической реализацией излучения в
- 7. УЛЬТРАКОРОТКОИМПУЛЬСНЫЕ ЛАЗЕРЫ МЕТОД СИНХРОНИЗАЦИИ МОД При многомодовом режиме, генерация в каждой моде возникает из спонтанного излучения.
- 8. УЛЬТРАКОРОТКОИМПУЛЬСНЫЕ ЛАЗЕРЫ Сначала генерация возникает на моде, частота которой v0 близка к максимуму линии усиления. В
- 9. УЛЬТРАКОРОТКОИМПУЛЬСНЫЕ ЛАЗЕРЫ ПАССИВНАЯ СИНХРОНИЗАЦИЯ МОД Дальнейшие успехи в области генерации ультракоротких лазерных импульсов с помощью интерференционного
- 10. ПРОСВЕТЛЯЮЩИЕСЯ ПОГЛОТИТЕЛИ УЛЬТРАКОРОТКОИМПУЛЬСНЫЕ ЛАЗЕРЫ Работу просветляющихся поглотителей или пассивных затворов можно уяснить на примере одного из
- 11. УЛЬТРАКОРОТКОИМПУЛЬСНЫЕ ЛАЗЕРЫ С помощью просветляющихся поглотителей осуществляется режим т.н. пассивной модуляции добротности. При использовании некоторых пассивных
- 12. УЛЬТРАКОРОТКОИМПУЛЬСНЫЕ ЛАЗЕРЫ Сложение 100 волн со случайным распределением фаз (а), и с согласованными фазами (б) Работа
- 13. УЛЬТРАКОРОТКОИМПУЛЬСНЫЕ ЛАЗЕРЫ Длительность импульса (t0) и ширина спектра Δv (измеренные по полувысоте) являются важнейшими величинами, которые
- 14. УЛЬТРАКОРОТКОИМПУЛЬСНЫЕ ЛАЗЕРЫ Теперь рассмотрим, до каких пределов можно сжать импульс, применяя метод компрессии чирпированных импульсов. Известно,
- 15. УЛЬТРАКОРОТКОИМПУЛЬСНЫЕ ЛАЗЕРЫ Теперь рассмотрим, как изменяется импульс при его распространении через прозрачную среду. В случае монохроматической
- 16. УЛЬТРАКОРОТКОИМПУЛЬСНЫЕ ЛАЗЕРЫ МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ ИМПУЛЬСА Учитывая лишь электрическое поле, плоская электромагнитная монохроматическая (частота ω0) волны, представляется
- 17. УЛЬТРАКОРОТКОИМПУЛЬСНЫЕ ЛАЗЕРЫ Учёт дисперсии первого порядка показывает, что сравнительно узкополосный световой импульс распространяется без существенного изменения
- 18. УЛЬТРАКОРОТКОИМПУЛЬСНЫЕ ЛАЗЕРЫ В результате расплывание импульса сопровождается линейным изменением несущей частоты, т.е. импульс становится чирпированным. Важно
- 19. УЛЬТРАКОРОТКОИМПУЛЬСНЫЕ ЛАЗЕРЫ Дисперсия групповых скоростей в (ДГС) них может быть нулевой и даже отрица-тельной в зависимости
- 20. УЛЬТРАКОРОТКОИМПУЛЬСНЫЕ ЛАЗЕРЫ Гораздо более эффективным оказалось использование последовательности из четырёх призм, что стало классическим решением проблемы
- 21. УЛЬТРАКОРОТКОИМПУЛЬСНЫЕ ЛАЗЕРЫ Прогресс в лазерной технологии привёл к ещё одному типу устройств регулировки и контроля ДГС,
- 22. УЛЬТРАКОРОТКОИМПУЛЬСНЫЕ ЛАЗЕРЫ Сравнивая эти три метода регулирования ДГС, отметим их достоинства и недостатки: Пара решёток. Из-за
- 23. УЛЬТРАКОРОТКОИМПУЛЬСНЫЕ ЛАЗЕРЫ После прохождения импульсом нелинейной среды с показателем преломления n=n0+n2Е02 набег фазы оказывается неодинаковым вдоль
- 24. УЛЬТРАКОРОТКОИМПУЛЬСНЫЕ ЛАЗЕРЫ Таким образом, импульс может быть сжат по времени, если пропустить его через среду с
- 25. УЛЬТРАКОРОТКОИМПУЛЬСНЫЕ ЛАЗЕРЫ ФАЗОВАЯ САМОМОДУЛЯЦИЯ (ФСМ) Рассмотрим распространение импульса излучения в слое среды, обладающей нелинейным показателем преломления.
- 26. УЛЬТРАКОРОТКОИМПУЛЬСНЫЕ ЛАЗЕРЫ Для сжатия импульсов до длительности меньше исходной применяют метод чирпирования на основе эффекта самомодуляции
- 27. ОПТИЧЕСКОЕ ВОЛОКНО В качестве нелинейной среды для чирпирования импульсов посредством фазовой самомодуляции оказывается удобно применять оптическое
- 28. УЛЬТРАКОРОТКОИМПУЛЬСНЫЕ ЛАЗЕРЫ Эффект «керровской линзы». Принцип работы: 1 — среда с нелинейным показателем преломления, 2 —
- 29. УЛЬТРАКОРОТКОИМПУЛЬСНЫЕ ЛАЗЕРЫ СИНХРОНИЗАЦИЯ МОД С ПОМОЩЬЮ ЭФФЕКТА НЕЛИНЕЙНОГО ПОКАЗАТЕЛЯ ПРЕЛОМЛЕНИЯ Эффекты нелинейного показателя преломления с успехом
- 30. ПОЛУПРОВОДНИКОВОЕ ЗЕРКАЛО С НАСЫЩАЕМЫМ ПОГЛОТИТЕЛЕМ (SESAM) Более надёжным способом достижения режима самозапуска и устойчивой генерации УКИ
- 31. Полупроводник поглощает свет, если энергия фотона достаточна, чтобы возбудить носители из валентной зоны в зону проводимости.
- 32. Современная технология полупроводниковых материалов позволяет создавать структуры с нужными спектральными и временными характеристиками. Сам насыщающийся поглотитель
- 33. ОДНОСТЕННЫЕ УГЛЕРОДНЫЕ НАНОТРУБКИ (ОУН) В последнее время получает распространение ещё один тип просветляющегося поглотителя. Это одностенные
- 35. Скачать презентацию
Литература:
П.Г. Крюков / Лазеры ультракаротких импульсов и их применения / -
Литература:
П.Г. Крюков / Лазеры ультракаротких импульсов и их применения / -
С.А. Козлов, В.В. Самарцев / Основы фемто-секундной оптики / - М., Физматлит, 2009, 268 с.
Е. А. Хазанов, А. М. Сергеев / Петаваттные лазеры на основе оптических параметрических усилителей: состояние и перспективы / // Успехи физических наук. - 2008. - Т. 178, N 9. - с. 1006-1011
Семиков С.А. /Методы компрессии лазерных импульсов: учебно-методический материал // Нижний Новгород, Нижегородский госуниверситет, 2011. – 48 с. http://ritz-btr.narod.ru/compress.html
УЛЬТРАКОРОТКОИМПУЛЬСНЫЕ ЛАЗЕРЫ
В методах, получения коротких лазерных импульсов путем открытия или переключения
УЛЬТРАКОРОТКОИМПУЛЬСНЫЕ ЛАЗЕРЫ
В методах, получения коротких лазерных импульсов путем открытия или переключения
В отличие от этих методов, позволивших увеличивать пиковую мощность лазерного излучения на несколько порядков и приблизить время импульса к времени обхода резонатора, метод синхронизации мод позволяет получать импульсы с длительностью, значительно меньшей и близкой к 5 10 15 20 25 30 35
физическому пределу.
Суть метода заключается в генерации
большого числа продольных мод с
определенными фазовыми соотноше-
ниями. Благодаря интерференции
генерирующих мод возникают биения,
а временная зависимость интенсив-
ности излучения приобретает вид
периодической последовательности
импульсов с длительностью, обратно
пропорциональной ширине спектра,
охватывающего эти моды, и периодом,
равным времени обхода резонатора.
Биения двух волн с частотам f1 и f2; А — огибающая амплитуд (модуляция амплитуды), (А2) интенсивность (модуляция интенсивности). Результирующая амплитуда (а), результирующая интенсивность (б)
УЛЬТРАКОРОТКОИМПУЛЬСНЫЕ ЛАЗЕРЫ
Результат сложения волн зависит не только от амплитуд, но и
УЛЬТРАКОРОТКОИМПУЛЬСНЫЕ ЛАЗЕРЫ
Результат сложения волн зависит не только от амплитуд, но и
На рис. показан результат сложения 5 и 7 волн с одинаковыми амплитудами и с частотами, отличающимися на кратный интервал, при определённом соотношении фаз. Важно отме-тить, что при таком сложении получается периодическая последовательность импульсов, период которой определяется частотным интервалом между соседними частотами. Поскольку период световой волны составляет 1-2 фс, видно, что таким способом можно получить чрезвычайно короткий импульс. Длительность его определяется полной шириной спектра, т.е. разностью максимальной и минимальной частот. Важно отметить, что при этом происходит увеличение амплитуды и, следовательно, интенсивности
УЛЬТРАКОРОТКОИМПУЛЬСНЫЕ ЛАЗЕРЫ
Известно, что периодическую последовательность импульсов любой формы можно представить суммой
УЛЬТРАКОРОТКОИМПУЛЬСНЫЕ ЛАЗЕРЫ
Известно, что периодическую последовательность импульсов любой формы можно представить суммой
E(t) = ΣAn sin (nvnt +фп)
Операцию по вычислению амплитуд при фиксированной фазе (равной нулю), т.е. раз-ложение импульса в спектр, называют разложением (анализом) Фурье. Очевидно, что справедлива и обратная операция - получение периодической последовательности путём синтеза Фурье.
В физике существуют приборы, которые осуществляют такие операции. В радиотехнике используется спектроанализатор —прибор, который показывает, какие частоты, с какими амплитудами содержатся в исследуемом сигнале (импульсе). Существует также акустическое устройство —синтезатор, которое испускает звуки, получаемые при сложении многих волн.
Итак, имеется принципиальная возможность получать путём сложения волн достаточно короткие импульсы. Если имеется n волн, с частотами, которые увеличиваются на постоянный интервал δν и, следовательно, которые простираются на ширину спектра Δv= nδν, то минимальная длительность импульсов τ, получаемых при сложении этих волн, может быть порядка 1/Δv, а интервал между ними Т= 1/δν.
УЛЬТРАКОРОТКОИМПУЛЬСНЫЕ ЛАЗЕРЫ
Однако существует принципиальное различие между математической формулой ряда Фурье и
УЛЬТРАКОРОТКОИМПУЛЬСНЫЕ ЛАЗЕРЫ
Однако существует принципиальное различие между математической формулой ряда Фурье и
На этом и основан метод синхронизации мод (mode-locking), который и позволил получать импульсы с длительностью, приближающейся к периоду световой волны. Лазеры ультракоротких импульсов, работающие на этом принципе, являются, по существу, устройствами синтеза непрерывных волн с дискретными, эквидистантно расположенными частотами и с определёнными фазами.
УЛЬТРАКОРОТКОИМПУЛЬСНЫЕ ЛАЗЕРЫ
МЕТОД СИНХРОНИЗАЦИИ МОД
При многомодовом режиме, генерация в каждой моде возникает
УЛЬТРАКОРОТКОИМПУЛЬСНЫЕ ЛАЗЕРЫ
МЕТОД СИНХРОНИЗАЦИИ МОД
При многомодовом режиме, генерация в каждой моде возникает
УЛЬТРАКОРОТКОИМПУЛЬСНЫЕ ЛАЗЕРЫ
Сначала генерация возникает на моде, частота которой v0 близка к
УЛЬТРАКОРОТКОИМПУЛЬСНЫЕ ЛАЗЕРЫ
Сначала генерация возникает на моде, частота которой v0 близка к
Справа на рисунке показана временная диаграмма работы модулятора открывающего затвор с периодом Т= 1/ ν0 (вверху) или генератора синусоидального напряжения, с регулируемой частотой.
УЛЬТРАКОРОТКОИМПУЛЬСНЫЕ ЛАЗЕРЫ
ПАССИВНАЯ СИНХРОНИЗАЦИЯ МОД
Дальнейшие успехи в области генерации ультракоротких лазерных импульсов
УЛЬТРАКОРОТКОИМПУЛЬСНЫЕ ЛАЗЕРЫ
ПАССИВНАЯ СИНХРОНИЗАЦИЯ МОД
Дальнейшие успехи в области генерации ультракоротких лазерных импульсов
Однако, любое вещество обладает дисперсией, т.е. зависимостью показателя преломления от длины волны и фазовая скорость света с/п становится зависимой от частоты. В результате межмодовый интервал изменяется по мере изменения частоты моды. Частоты мод уже не являются строго эквидистантными.
Поскольку модуляция излучения внутри резонатора происходит на вполне определённой частоте, боковые составляющие мод, которые всё дальше отстают от центра линии усиления, перестают совпадать с модами резонатора. Процесс синхронизации мод прекращается прежде, чем им будут охвачены все моды, попадающие в полосу усиления
ПРОСВЕТЛЯЮЩИЕСЯ ПОГЛОТИТЕЛИ
УЛЬТРАКОРОТКОИМПУЛЬСНЫЕ ЛАЗЕРЫ
Работу просветляющихся поглотителей или пассивных затворов можно уяснить
ПРОСВЕТЛЯЮЩИЕСЯ ПОГЛОТИТЕЛИ
УЛЬТРАКОРОТКОИМПУЛЬСНЫЕ ЛАЗЕРЫ
Работу просветляющихся поглотителей или пассивных затворов можно уяснить
Световой квант, взаимодействуя с атомом, отдает ему энергию и переводит на более высокий энергетический уровень, то есть в возбужденное состояние. Фотон при этом исчезает - среда поглощает свет. После того как все атомы среды возбуждаются, поглощение световой энергии прекращается - среда становится прозрачной. Но такое состояние не может длиться долго: фотоны, летящие следом, заставляют атомы возвращаться в исходное состояние, испуская кванты той же частоты. Именно это и происходит, когда через такую среду направляется короткий световой импульс большой мощности соответствующей частоты. Передний фронт импульса перебрасывает атомы на верхний уровень, частично при этом поглощаясь и становясь слабее. Максимум импульса поглощается уже меньше, а задний фронт импульса стимулирует обратный переход с возбужденного уровня на основной. Атом излучает фотон, его энергия возвращается импульсу, который и проходит через среду.
УЛЬТРАКОРОТКОИМПУЛЬСНЫЕ ЛАЗЕРЫ
С помощью просветляющихся поглотителей осуществляется режим т.н. пассивной модуляции добротности.
УЛЬТРАКОРОТКОИМПУЛЬСНЫЕ ЛАЗЕРЫ
С помощью просветляющихся поглотителей осуществляется режим т.н. пассивной модуляции добротности.
менее временного разрешения аппаратуры) импульсов
Период этой последовательности определялся длиной
резонатора и был равен времени обхода светом резона-
тора, т.е. был таким, который получается при синхрони-
зации мод, т.е. периодическое изменение интенсивнос
ти излучения, проходящего через слой просветляющего
ся поглотителя может дать такой же эффект, как и
амплитудный модулятор с внешним управлением.
Иными словами, при помещении в резонатор слоя просветляющегося поглотителя, само излучение в виде импульса, циркулирующее в резонаторе, может вызвать периодическую амплитудную модуляцию интенсивности с периодом времени обхода светом резонатора.
Однако для получения такой амплитудной самомодуляции нужно, чтобы при уменьшении интенсивности снова получалось увеличение поглощения. В противном случае поглотитель останется просветлённым после прохождения через него интенсивного излучения и периодической модуляции не получится. Для веществ, которые могут быть просветляющи-мися поглотителями, значения этих времён существенно различаются. У одних оно составляет наносекунды (больше времени обхода светом расстояния между зеркалами резонатора), у других оно может составлять десятки и даже единицы пикосекунд
УЛЬТРАКОРОТКОИМПУЛЬСНЫЕ ЛАЗЕРЫ
Сложение 100 волн со случайным распределением фаз (а), и с
УЛЬТРАКОРОТКОИМПУЛЬСНЫЕ ЛАЗЕРЫ
Сложение 100 волн со случайным распределением фаз (а), и с
Работа лазера с быстрым насыщающимся поглотителем. Лазер может генерировать на частотах многих мод, попадающих в контур полосы усиления активной среды. Чем шире полоса усиления, тем больше мод генерации. Эти моды практически не связаны друг с другом по фазе и значения относительных фаз имеют хаотическое распре-деление. Поэтому в результате сложения амплитуд коле-баний многих мод в результате интерференции (биений) получается зависимость интенсивности от времени в виде беспорядочного набора выбросов интенсивности (флук-туации интенсивности). Эта зависимость определяется конкретным хаотическим распределением фаз. Средняя длительность флуктуационных выбросов составляет величину порядка обратной ширины спектра, охватыва-ющего все моды генерации. Излучение с такой сложной зависимостью интенсивности от времени усиливается и периодически повторяется при каждом проходе через активную среду. Таким образом, многомодовое излучение с широким спектром уже содержит импульсы с длительностью порядка обратной ширины спектра излучения, однако эти импульсы беспорядочны и их интенсивности сравнительно невелики. Иное дело – сложение с согласованными фазами. См. рис →
УЛЬТРАКОРОТКОИМПУЛЬСНЫЕ ЛАЗЕРЫ
Длительность импульса (t0) и ширина спектра Δv (измеренные по полувысоте)
УЛЬТРАКОРОТКОИМПУЛЬСНЫЕ ЛАЗЕРЫ
Длительность импульса (t0) и ширина спектра Δv (измеренные по полувысоте)
Соотношения между Δv и t0 для импульсов разной формы
Приведенные формулы справедливы для излучения, распространяющегося в пустоте со световой скоростью с.
УЛЬТРАКОРОТКОИМПУЛЬСНЫЕ ЛАЗЕРЫ
Теперь рассмотрим, до каких пределов можно сжать импульс, применяя метод
УЛЬТРАКОРОТКОИМПУЛЬСНЫЕ ЛАЗЕРЫ
Теперь рассмотрим, до каких пределов можно сжать импульс, применяя метод
Итак, для монохроматического света лазера узость спектральных линий Δν означает сравнительно большую длительность импульсов Δt – порядка 1/Δν. Сокращение длительности невозможно без параллельного уширения спектра Δν. Так, гелий-неоновый лазер, генерирующий непрерывное монохроматическое излучение, имеет очень узкие спектральные линии. А лазер, работающий в режиме модуляции добротности даёт уже короткие импульсы с длительностью порядка наносекунды. При этом спектр излучения уже существенно уширен. А, скажем, титан-сапфировый лазер, работающий в режиме синхронизации мод сразу выдаёт без чирпирования-компрессии готовые ультракороткие импульсы (порядка сотен фемтосекунд) за счёт того, что ионы титана в сапфире благодаря развитой системе уровней и их сдвигу по эффекту Штарка создают достаточно широкую частотную полосу усиления, допускающую генерацию ультракоротких импульсов. Впрочем, широкий спектр – это условие необходимое, но недостаточное для генерации коротких импульсов. Предельно малая длительность импульса 1/Δν (такой импульс называется спектрально-ограниченным или Фурье-ограниченным) достигается тогда, когда образующие его частотные составляющие имеют соответствующие фазы, связанные определёнными фазовыми соотношениями. В лазере с синхронизацией мод этой цели служит элемент, синхронно выпускающий частотные составляющие излучения, то есть синхронизирующий моды.
УЛЬТРАКОРОТКОИМПУЛЬСНЫЕ ЛАЗЕРЫ
Теперь рассмотрим, как изменяется импульс при его распространении через прозрачную
УЛЬТРАКОРОТКОИМПУЛЬСНЫЕ ЛАЗЕРЫ
Теперь рассмотрим, как изменяется импульс при его распространении через прозрачную
Обычно дисперсию рассматривают в предположении, что ширина спектра импульса Δω << ω0 (ω0 - частота в центре спектра). Тогда дисперсию, как зависимость волнового числа k от частоты, т.е. k(ω) = ωn(ω)/c можно представить в виде разложения в ряд Тэйлора по степеням частоты в окрестности точки ω0:
k(ω) = k0 + ωk0'+(1/2)ω2k0''+…
где частота со отсчитывается относительно ω0, и введены обозначения k0 = к(0), k0'=дк/дω|0, k0"= д2k/ дω|0
С учётом разных членов разложения получаются различные модели диспергирующей среды. Обычно при исследовании ультракоротких лазерных импульсов ограничиваются двумя членами разложения, которые относятся к дисперсии первого порядка
k(ω) = k0 + ωk0' и дисперсии второго порядка k(ω) = k0 + ωk0'+(1/2)ω2k0''
Современные лазеры способны генерировать импульсы, длительность которых приближается к одному периоду волны. Для работы таких лазеров требуется учёт и контроль дисперсии более высоких порядков (например, третьего порядка).
УЛЬТРАКОРОТКОИМПУЛЬСНЫЕ ЛАЗЕРЫ
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ ИМПУЛЬСА
Учитывая лишь электрическое поле, плоская
электромагнитная монохроматическая (частота
УЛЬТРАКОРОТКОИМПУЛЬСНЫЕ ЛАЗЕРЫ
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ ИМПУЛЬСА
Учитывая лишь электрическое поле, плоская
электромагнитная монохроматическая (частота
волны, представляется в виде бесконечной синусоиды:
E(t) = E0 exp(iω0 t)
Импульс получается умножением этой синусоиды на колоколообразную функцию, которая описывает форму (огибающую) импульса. Её можно выбрать, например, в
виде гауссовой функции. В результате получается импульс гауссовой формы:
E(t) = E0 ехр (- Гt2 +i ω0 t)
Форма огибающей определяется коэффициентом Г = t02 и t0 принимается за величину длительности импульса. Таким
образом, электрическое поле волны в виде импульса
описывается несущей частотой и огибающей.
Используя преобразование Фурье, можно получить
зависимость электрического поля от частоты, т.е. спектр
импульса. Для гауссова импульса спектр также имеет
гауссову форму:
E(ω) = ехр [-(ω - ω0)2/4Г]
Импульс гауссовой формы
Спектр импульса гауссовой формы
УЛЬТРАКОРОТКОИМПУЛЬСНЫЕ ЛАЗЕРЫ
Учёт дисперсии первого порядка показывает, что сравнительно узкополосный световой импульс
УЛЬТРАКОРОТКОИМПУЛЬСНЫЕ ЛАЗЕРЫ
Учёт дисперсии первого порядка показывает, что сравнительно узкополосный световой импульс
νгр = νф/[1 + (ω/n)(дп/дω)]
Учёт дисперсии второго порядка приводит к тому,
что групповая скорость зависит от частоты или, как
говорят имеет место дисперсия групповых
скоростей (ДГС)
ДГС = (d2n/dω2) = [d(1/vгр)/dω]
Она, в свою очередь, приводит к изменению
формы импульса. Он «расплывается» по мере
Распространения в диспергирующей среде, как
показано на рис. Это изменение формы естествен-
но объясняется различием в скоростях рас-
пространения волн с разными частотами. Различ-
ные частоты при распространении как бы «идут
не в ногу». Те волны, для которых показатель пре-
ломления больше, начнут отставать от тех, для
которых он меньше.
Эффект расплывания импульса света при его распространении в диспергирующей среде
УЛЬТРАКОРОТКОИМПУЛЬСНЫЕ ЛАЗЕРЫ
В результате расплывание импульса сопровождается линейным изменением несущей частоты, т.е.
УЛЬТРАКОРОТКОИМПУЛЬСНЫЕ ЛАЗЕРЫ
В результате расплывание импульса сопровождается линейным изменением несущей частоты, т.е.
При распространении импульса света через
прозрачное вещество, обладающее диспер-
сией, происходит удлинение импульса.
Поскольку активная среда внутри резонатора
также обладает дисперсией, удлинение
импульса препятствует достижению предель-
но короткой длительности импульса.
Для компенсации эффекта удлинения
следовало бы пропустить такой удлинённый
импульс через слой вещества с дисперсией
противоположного знака, т.е. с аномальной (отрицательной) дисперсией. Тогда отставшие частоты смогли бы нагнать ушедшие вперёд, и импульс снова принял бы первоначальную форму с минимальной длительностью. Однако аномальная дисперсия существует лишь при весьма специфических условиях (в спектральных линиях поглощения). Почти прозрачные вещества обладают нормальной (положительной) дисперсией, т.е. показатель преломления растёт с увеличением частоты.
Исключением является одномодовое кварцевое волокно и фотонные кристаллы.
Форма импульса с линейно изменяемой несущей частотой (чирпированный) импульс
УЛЬТРАКОРОТКОИМПУЛЬСНЫЕ ЛАЗЕРЫ
Дисперсия групповых скоростей в (ДГС) них может быть нулевой и
УЛЬТРАКОРОТКОИМПУЛЬСНЫЕ ЛАЗЕРЫ
Дисперсия групповых скоростей в (ДГС) них может быть нулевой и
Отрицательную дисперсию можно получить также при организации разных путей для лучей с разными длинами волн. Для этого можно использовать такие оптические устройства, как дифракционные решётки (которые отклоняют падающие на них лучи на углы, зависящие от длины волны), призмы и дихроические зеркала (коэф-фициент отражения которых зависит от длины волны). Используя это обстоятельство, и удалось создать устройства, обладающие отрицательной дисперсией.
Первым таким устройством стала пара Синий Красный
отражательных дифракционных решёток
В таком случае дисперсия определяется
не показателем преломления п (нет
преломляющего материала), а фазой
волны ф. Расчёты приводят к следующему
выражению для ДГС:
d2ф /dω2 = - λ/2πс2 (λ/d) L (соs-2β ),
λ - длина волны, a d - постоянная решётки.
Важно отметить, что такая пара дифракционных Красный
решёток обладает только отрицательной дисперсией, значение которой можно изменять в широких пределах путём изменения расстояния между решётками. Недостатком этой системы являются потери излучения при отражениях, которые обычно достигают 50%. Поэтому эта система мало пригодна для использования внутри резонатора лазера.
УЛЬТРАКОРОТКОИМПУЛЬСНЫЕ ЛАЗЕРЫ
Гораздо более эффективным оказалось использование последовательности из четырёх призм, что
УЛЬТРАКОРОТКОИМПУЛЬСНЫЕ ЛАЗЕРЫ
Гораздо более эффективным оказалось использование последовательности из четырёх призм, что
Призмы изготавливают
ся с таким углом при
вершине, что лучи
входят и выходят из
каждой из призм под
углом Брюстера. Это
сводит к минимуму
потери для лучей
определённой линей
ной поляризации.
Параллельный пучок, состоящий из лучей с разными длинами волн, пропускается через призмы , установленные на определённом расстоянии друг от друга. Угловая дисперсия призм такова, что два импульса с частотами ω1 и ω2 будут распространяться по разным путям (через материал призм и воздух). Длина пути для импульса с частотой ω2 будет меньше, чем для импульса с частотой ω1. Разница путей зависит от расстояния между призмами и толщины слоя материала призмы. На выходе пучок снова становится параллельным. При движении одной из призм вдоль биссектрисы угла преломления направление выходного пучка не меняется. Однако меняются длины пути, которые лучи с разными длинами волн проходят через материал призм и воздух. В результате появляется возможность плавного регулирования дисперсии (ДГС) от некоторого положительного значения через ноль до некоторого отрицательного значения.
Призменный регулятор дисперсии (ДГС). Регулировка производится движением одной из призм (II) вдоль биссектрисы угла отклонения. В плоскости М-М' можно разместить зеркало резонатора (в случае конфигурации резонатора Фабри-Перо)
УЛЬТРАКОРОТКОИМПУЛЬСНЫЕ ЛАЗЕРЫ
Прогресс в лазерной технологии привёл к
ещё одному типу устройств
УЛЬТРАКОРОТКОИМПУЛЬСНЫЕ ЛАЗЕРЫ
Прогресс в лазерной технологии привёл к
ещё одному типу устройств
контроля ДГС, к т.н. чирпирующим зеркалам
Это широкополосные многослойные
диэлектрические зеркала, отличающиеся
той особенностью, что излучения с разной
длиной волны отражаются от разной глу-
бины слоев. Таким образом, для разных
частот получается разная задержка, что и
приводит к чирпу. Зеркала удалось создать в результате совершенствования технологии нанесения на прозрачную подложку слоёв материалов с периодическим изменением показателя преломления. Именно таким способом изготавливаются диэлектрические зеркала с высоким коэффициентом отражения. Однако для получения чирпирующего зеркала наносится гораздо больше слоёв (~80 с толщинами от 25 нм до 400 нм) так, что полная толщина слоёв достигает ~10 мкм. Толщина слоев оптимизируется путём расчётов на компьютере. Эти расчёты дают структуру зеркал с т.н. двойным чирпированием. Процесс изготовления продолжается в течение нескольких часов при тщательнейшем (с управлением от компьютера) контроле толщины слоёв. Коэффициент отражения может достигать 0,9995 - 0,9999. Это очень важно, т.к. величина чирпа нужного знака имеет при одном отражении малое значение. Для получения нужной величины используют пару чирпированных зеркал с многократными отражениями (до 20), при этом полный коэффициент отражения остаётся достаточно высоким (~95 %). Чирпирующие зеркала могут заменить призмы и решётки в тех случаях, когда требуется компактность лазера.
УЛЬТРАКОРОТКОИМПУЛЬСНЫЕ ЛАЗЕРЫ
Сравнивая эти три метода регулирования ДГС, отметим их достоинства и
УЛЬТРАКОРОТКОИМПУЛЬСНЫЕ ЛАЗЕРЫ
Сравнивая эти три метода регулирования ДГС, отметим их достоинства и
Пара решёток. Из-за большой угловой дисперсии можно получать большие значения ДГС. Размеры решёток могут достигать метра, что позволяет работать с широкими пучками огромной мощности. Недостатком являются потери, которые обычно составляют около 50%. Это практически исключает использование пары решёток в резонаторе лазера.
Пара призм. Главное достоинство —простота изготовления и практическое отсутствие потерь, что позволяет легко использовать пару призм в резонаторе. Допускается плавное регулирование ДГС, что способствует достижению минимальной длительности импульса. Недостатком является сравнительно большая оптическая длина пути (30-50 см), что затрудняет уменьшение длины резонатора и, соответственно, достижение высокой частоты повторения импульсов в непрерывной последовательности.
Пара чирпирующих зеркал. Главное достоинство заключается в возможности компенсировать ДГС в очень широкой полосе частот (учёт дисперсии третьего порядка), что позволяет достигать предельно малой длительности УКИ, приближающейся к одному периоду волны. Малые размеры позволяют сокращать длину резонатора и, тем самым, получать высокие частоты повторения импульсов в непрерывной последовательности. Существенным недостатком является исключительно сложная технология изготовления. Невозможность плавной регулировки ДГС также является недостатком.
УЛЬТРАКОРОТКОИМПУЛЬСНЫЕ ЛАЗЕРЫ
После прохождения импульсом нелинейной среды с показателем преломления n=n0+n2Е02 набег
УЛЬТРАКОРОТКОИМПУЛЬСНЫЕ ЛАЗЕРЫ
После прохождения импульсом нелинейной среды с показателем преломления n=n0+n2Е02 набег
УЛЬТРАКОРОТКОИМПУЛЬСНЫЕ ЛАЗЕРЫ
Таким образом, импульс может быть сжат по времени, если пропустить
УЛЬТРАКОРОТКОИМПУЛЬСНЫЕ ЛАЗЕРЫ
Таким образом, импульс может быть сжат по времени, если пропустить
УЛЬТРАКОРОТКОИМПУЛЬСНЫЕ ЛАЗЕРЫ
ФАЗОВАЯ САМОМОДУЛЯЦИЯ (ФСМ)
Рассмотрим распространение импульса излучения в слое среды, обладающей
УЛЬТРАКОРОТКОИМПУЛЬСНЫЕ ЛАЗЕРЫ
ФАЗОВАЯ САМОМОДУЛЯЦИЯ (ФСМ)
Рассмотрим распространение импульса излучения в слое среды, обладающей
времени таким же образом, как изменяется интенсивность в импульсе. Следовательно, фаза световой волны, распространяющейся на расстояние х в нелинейной среде, станет изменяться во времени, следуя изменению интенсивности в импульсе. Изменение во времени фазы Ф(t) приводит к изменению частоты во времени. См.(в). Такое изменение частоты в пределах протяжённости импульса приводит к линейному изменению несущей частоты, т.е. импульс становится чирпированным, подобно тому как это получается при распространении импульса через среду, обладающую дисперсией. Но в отличие от дисперсии чирп получается противоположного знака. Важность эффекта фазовой самомодуляции (ФСМ) для генерации УКИ обусловлена тем что он позволяет расширить спектр лазерного излучения. Ширина спектра и определяет минимальную длительность импульса. Это, в принципе, позволяет получать импульсы, короче той длительности, которая соответствует ширине полосы усиления активной среды.
Эффект фазовой самомодуляции. Изменение показателя преломления п от времени соответствует распределению интенсивности во времени, т.е. форме импульса (а); скорость изменения показателя преломления (dn/dt) соответствует изменению во времени частоты световой волны (б); изменение спектра в результате фазовой самомодуляции (в)
УЛЬТРАКОРОТКОИМПУЛЬСНЫЕ ЛАЗЕРЫ
Для сжатия импульсов до длительности меньше исходной применяют метод чирпирования
УЛЬТРАКОРОТКОИМПУЛЬСНЫЕ ЛАЗЕРЫ
Для сжатия импульсов до длительности меньше исходной применяют метод чирпирования
показателя за счёт нелинейных свойств
среды. Огибающая импульса обычно
имеет колоколообразный гауссов
профиль с высокочастотным заполнением
– быстроменяющимся электрическим
полем E, колеблющимся на частоте ν0
лазерного излучения. При прохождении
нелинейной среды световые волны на
вершине импульса, где интенсивность
I излучения максимальна, движутся с пониженной фазовой скоростью c/n, поскольку для такой интенсивности показатель преломления n=n0+n2Е02 максимален, тогда световые волны у подножия импульса движутся в среде с фазовой скоростью близкой к номинальной c/n0, поскольку на краях импульса интенсивность излучения нулевая. Из-за того, что на вершине импульса гребни волн отстают и отползают к заднему фронту, в хвостовой части импульса гребни световых волн уплотняются (длина волны сокращается), скапливаются (частота света повышается), а в головной части импульса, они напротив расходятся, разрежаются (длина волны растёт и частота понижается).
ОПТИЧЕСКОЕ ВОЛОКНО
В качестве нелинейной среды для чирпирования
импульсов посредством фазовой самомодуляции
ОПТИЧЕСКОЕ ВОЛОКНО
В качестве нелинейной среды для чирпирования
импульсов посредством фазовой самомодуляции
оказывается удобно применять оптическое волокно,
где нелинейные эффекты проявляются при меньшей
интенсивности излучения. Ведь в волокне, где
отсутствует дифракционная расходимость, и излучение
всегда идёт в пределах тонкой сердцевины, диаметром
в десятки микрон, высокая интенсивность излучения
сохраняется вдоль всего волокна , то есть велика
эффективная длина нелинейного взаимодействия света
со средой. Поэтому нелинейные эффекты накапливаются в
течение всего времени движения вдоль этой длины и становятся весьма существенны, даже при умеренных интенсивностях излучения.
Самомодуляция фазы по гауссовому закону даёт линейный сдвиг частоты только в центральной части импульса возле вершины. Это вносит хроматические аберрации: огибающая импульса с такой частотной модуляцией заметно искажается при сжатии. Используя волоконный световод большей длины так, чтобы проявилась дисперсия групповых скоростей можно добиться лучших результатов. В этом случае импульс немного уширяется, но при этом его вершина становится более плоской, а частотная модуляция становится почти линейной в пределах всего импульса. Такой импульс содержит 90 % энергии в центральном пике (рис.б) по сравнению с 68 % в бездисперсионном режиме самомодуляции (рис. а).
Создание чирпа за счёт фазовой самомодуляции в случае обычных гауссовых импульсов (а) и импульсов растянутых в диспергирующей среде (б)
УЛЬТРАКОРОТКОИМПУЛЬСНЫЕ ЛАЗЕРЫ
УЛЬТРАКОРОТКОИМПУЛЬСНЫЕ ЛАЗЕРЫ
Эффект «керровской линзы». Принцип работы: 1 — среда с нелинейным
УЛЬТРАКОРОТКОИМПУЛЬСНЫЕ ЛАЗЕРЫ
Эффект «керровской линзы». Принцип работы: 1 — среда с нелинейным
Для твердотельных непрерывных лазеров УКИ оказалась весьма эффективно использование нелинейности показателя
преломления с резонатором , в котором
излучение лазера накачки фокусируется
в активную среду, в частности, в кристалл
Тi-сапфира. При исследовании такого
лазера неожиданно обнаружилось, что
режим пассивной синхронизации мод
возникает даже при отсутствии
просветляющегося поглотителя.
Дальнейшие исследования показали, что причиной является эффект самофокусировки.
Рассмотрим снова распространение пучка, испытывающего самофокусировку, но с добавлением диафрагмы (рис.) Видно, что пучок слабой интенсивности (не испытываю-щий самофокусировки) частично срезается диафрагмой, т.е. ослабляется. Интенсивный пучок (испытывающий самофокусировку) целиком проходит через диафрагму. Таким образом, самофокусировка в сочетании с диафрагмой действует как просветляющийся поглотитель, т.е. имеет место амплитудная самомодуляция интенсивности света. Поэтому при определённых условиях в самой активной среде может получиться самофокусировка, действующая как быстрый просветляющийся поглотитель. Поскольку нелинейный коэффициент преломления в твёрдых телах обусловлен оптическим (высокочастотным) эффектом Керра, метод синхронизации мод, основанный на явлении самофокусировки, получил название метод керровской линзы (KLM — Kerr-lens modelocked lazer).
УЛЬТРАКОРОТКОИМПУЛЬСНЫЕ ЛАЗЕРЫ
СИНХРОНИЗАЦИЯ МОД С ПОМОЩЬЮ ЭФФЕКТА НЕЛИНЕЙНОГО ПОКАЗАТЕЛЯ ПРЕЛОМЛЕНИЯ
Эффекты нелинейного показателя
УЛЬТРАКОРОТКОИМПУЛЬСНЫЕ ЛАЗЕРЫ
СИНХРОНИЗАЦИЯ МОД С ПОМОЩЬЮ ЭФФЕКТА НЕЛИНЕЙНОГО ПОКАЗАТЕЛЯ ПРЕЛОМЛЕНИЯ
Эффекты нелинейного показателя
ОБЪЁМНЫЕ ТВЕРДОТЕЛЬНЫЕ ЛАЗЕРЫ в
которых для пассивной синхро-
низации мод используется эффект
керровской линзы.
Как было указано выше, этот эффект получает
ся путём введения диафрагмы в
резонатор. Это лазер с жёсткой
диафрагмой. Её использование
не является обязательным.
Сфокусированный пучок накачки в
кристалле уже, чем пучок лазерного излучения. В этой ситуации, эффективное усиление для более интенсивного импульса будет выше, чем для слабого импульса, поскольку самофокусировка сжимает его в область с более сильной накачкой. Получается такой же эффект, как и действие диафрагмы. В этом случае получается лазер с мягкой диафрагмой.
Эффект «мягкой диафрагмы». Сплошные линии — лучи интенсив-ного излучения, пунктирные линии — лучи малоинтенсивного излучения, заштрихована область максимальной накачки
ПОЛУПРОВОДНИКОВОЕ ЗЕРКАЛО С НАСЫЩАЕМЫМ ПОГЛОТИТЕЛЕМ (SESAM)
Более надёжным способом достижения режима самозапуска
ПОЛУПРОВОДНИКОВОЕ ЗЕРКАЛО С НАСЫЩАЕМЫМ ПОГЛОТИТЕЛЕМ (SESAM)
Более надёжным способом достижения режима самозапуска
Таким образом, имеется принципиальное противоречие: для сокращения длительности требуется малое время релаксации просветлённого состояния, но для самозапуска режима генерации УКИ требуется поглотитель со сравнительно большим временем релаксации.
Прогресс в исследованиях лазеров ультракоротких импульсов привёл к появлению нового типа просветляющегося поглотителя, сочетающего свойства как «медленного», так и «быстрого» поглотителя. Для этого использовались особенности оптических свойств полупроводников.
УЛЬТРАКОРОТКОИМПУЛЬСНЫЕ ЛАЗЕРЫ
Полупроводник поглощает свет, если энергия фотона достаточна, чтобы возбудить носители из
Полупроводник поглощает свет, если энергия фотона достаточна, чтобы возбудить носители из
- быстрая релаксация (десятки фс), обусловленная внутризонной термализацией электронов (электрон-электронные соударения);
- медленная релаксация (~ 1 пс), обусловленная внутризонной термализацией электронов с решёткой (электрон-фононные соударения);
- ещё более медленная релаксация (от нескольких пикосекунд до наносекунд), обусловленная межзонной излучательной и безызлучательной релаксацией.
Таким образом, полупроводники могут обладать не одним характерным временем релаксации просветлённого состояния. Эта особенность очень важна для режима пассив-ной синхронизации мод. Большее время релаксации и, соответственно, меньшая интенсивность насыщения, оказываются весьма полезными в начале генерации. На этой стадии начинается просветление поглотителя группой флуктуационных импульсов и осуществляется самозапуск. Короткое время позволяет осуществлять формирование импульса с сокращением длительности вплоть до нескольких фемтосекунд. На основе таких особенностей полупроводника было создано устройство, получившее название SESAM (от англ. semiconductor saturable absorber mirror -полупроводниковое зеркало с насыщаемым поглощением), которое используется как одно из зеркал резонатора.
УЛЬТРАКОРОТКОИМПУЛЬСНЫЕ ЛАЗЕРЫ
Современная технология полупроводниковых материалов позволяет создавать структуры с нужными спектральными и
Современная технология полупроводниковых материалов позволяет создавать структуры с нужными спектральными и
Вследствие малого размера, в нём, как в одномерной
потенциальной яме, имеет место квантование уровней
энергии. Число таких слоёв может достигать
нескольких десятков. Такие структуры обознача-
ются как MQW (Multiple Quantum Wells).
При этом насыщение поглощения происходит
благодаря конечному времени жизни неравновес-
ных носителей, а также конечному времени их термализации в
соответствующих зонах квантово-размерного слоя поглотителя.
Слои полупроводниковых материалов с разными показателями преломления и оптическими толщинами λ/4 образуют многослойное зеркало с высоким коэффициентом отражения.
Множественные квантовые ямы, могут располагаться между многослойными зеркалами, образующими эталон Фабри-Перо. Этот эталон может быть организован таким образом, чтобы в расположении поглотителя получалось оптимальная для поглотителя интенсивность (из-за соответствующей интерференции). Это позволяет подбирать нужные условия работы просветляющегося поглотителя, которые получаются при настройке эталона Фабри-Перо на антирезонанс. Такое модифицированное устройство на основе SESAM получило название A-FPSA (anti-resonance-Fabri- Perot-saturable absorber). Просветляющиеся поглотители типа SESAM нашли широкое применение в фемтосекундных лазерах непрерывного действия, в том числе в волоконных лазерах т.к. с их помощью достигается устойчивый режим самозапуска. Однако они требуют весьма сложной технологии изготовления.
ОДНОСТЕННЫЕ УГЛЕРОДНЫЕ НАНОТРУБКИ (ОУН)
В последнее время получает распространение ещё один тип
ОДНОСТЕННЫЕ УГЛЕРОДНЫЕ НАНОТРУБКИ (ОУН)
В последнее время получает распространение ещё один тип
ГРАФЕН
В последнее время появился ещё один эффективный насыщающийся поглотитель для фемтосекундных лазеров. Это — слои графена.
Графен является двухмерной, подобно сотам, структурой, образованной шестиугольника-ми из атомов углерода. Такая структура входит в состав графита. Оптические свойства оказались весьма интересными. Они обусловлены структурой энергетических состояний. Графен является полуметаллом с нулевой запрещённой зоной. Это определяет важное оптическое свойство — поглощение не зависит от длины волны, что позволяет использо-вать его в широком диапазоне длин волн лазера от 1 до 2 мкм. Нелинейное оптическое поглощение было обстоятельно исследовано. Оказалось, что время релаксации просвет-лённого состояния составляет ~200 фс, что сделало графен привлекательным для лазеров фемтосекундных импульсов с пассивной синхронизацией мод.
Графен, также как и ОУН рассматривается как заменитель SESAM, поскольку технология изготовления этих материалов более доступная.
УЛЬТРАКОРОТКОИМПУЛЬСНЫЕ ЛАЗЕРЫ