Фемтосекундный лазер. Принцип, применение

Реферат

Когда мы употребляем слово „мгновение“, то обычно не задумываемся над тем, сколько же оно длится. Подразумевается, что какую-то долю секунды… Особенно наглядно проявляется „мгновенность“ в явлениях, связанных со светом. Мы считаем, мгновенны ми, например, сверкнувшую молнию или световой „всплеск“ лампы-вспышки при фотографировании. В этих случаях свет вспыхивает на сотые или тысячные доли секунды. Но и такие длительности невообразимо велики по сравнению с теми, что достигнуты в современной лазерной физике. Световые вспышки лазеров могут иметь длительность в сто раз меньшую, чем миллионная от миллионной доли секунды [2]!

Глава 1. Фемтосекундные лазеры

Любой лазер в принципе состоит из трёх основных элементов — активной среды, накачки, сообщающей ей способность усиливать световые колебания, и оптического резонатора, образованного двумя параллельными зеркалами, между которыми помещена активная среда. Зеркала резонатора возвращают излучение обратно в активную среду, превращая оптический усилитель в генератор когерентного света — лазер. Одно из зеркал делают частично прозрачным для выхода излучения.

Фемтосекундные лазеры – лазеры, способные испускать оптические импульсы с длительностью не ниже 1 пк, т.е. в области 1000 фс = 10 -18 с [1].

Производительность фемтосекундных лазеров зависит от:

  • длительности импульса;
  • частоты повторения импульса;
  • средней выходной мощности и энергии в импульсе.

Дополнительные аспекты, имеющие важное значение:

  • Произведение длительности сигнала на полосу частот [3].

Глава 2. Принцип действия.

Принцип действия лазеров ультракоротких импульсов (УКИ) основан на явлении синхронизации продольных мод лазерного резонатора.

Существует два возможных сценария генерации сверхкоротких импульсов, основанных на синхронизации мод. В одном варианте — генерация начинается на одной моде, но потом, в результате межмодового взаимодействия, генерация возбуждается и на других модах с необходимой разностью фаз, в результате чего картина становится точно такой же, как и в первом случае. Формирование импульса обычно происходит за 10 проходов резонатора. Ещё за 10-20 проходов происходит процесс укорочения и усиления импульсов, и в конечном итоге получаются стабильные фемтосекундные импульсы. Второй вариант — генерация начинается сразу во всех модах со случайной фазой и интенсивностью, а потом происходит отсев. В конце процесса, все моды становятся жёстко связаны и распределены по интенсивности, и в резонаторе остаётся только один импульс с очень короткой длительностью. По первому сценарию работают лазеры с активной синхронизацией мод с помощью внешней модуляции внутрирезонаторного излучения. По второму сценарию работают лазеры с пассивной синхронизацией мод, причём это делается внесением в резонатор нелинейного элемента, способного изменять потери в зависимости от интенсивности проходящего через него излучения [4].

18 стр., 8623 слов

Лазеры в медицине

... в медицине 1.1 Принцип действия лазера Основой лазеров служит явление индуцированного излучения, существование которого было постулировано А. Эйнштейном в 1916 г. В ... и длительность лазерных импульсов. В стоматологии лазерное излучение ... лазером активируется регенеративный процесс, происходит активация обмена клеточных элементов [4]. Основной принцип применения лазеров в косметологии заключается в ...

Существуют несколько методов практической реализации элемента пассивной синхронизации мод. Один из них основан на использовании растворов просветляющихся красителей или полупроводниковых материалов. Другой, метод основан на изменении показателя преломления от интенсивности лазерного излучения. В твердотельных лазерах используется т.н. керровская линза, а в волоконных лазерах — нелинейное вращение поляризации.

Процесс генерации УКИ фемтосекундной длительности включает две фазы. На первой, в результате амплитудной самомодуляции происходит дискриминирование по амплитуде временного профиля интенсивности многомодового излучения, в результате которого, на аксиальном периоде остаётся одиночный импульс (forming).

Затем во второй фазе импульс приобретает окончательную форму и длительность благодаря совместному действию фазовой самомодуляции и дисперсии групповых скоростей (shaping).

Обе фазы осуществляются благодаря образованию окна на временной оси, через которое проходит наиболее интенсивное излучение. В нём усиление превосходит потери (чистое усиление), а вне его потери превосходят усиление (чистые потери).

Подбором параметров осуществляется стационарный режим, т.е. генерация непрерывного цуга УКИ. Необходимо обеспечить условия выхода на такой режим (проблема самозапуска).

Энергия насыщения активных сред, используемых для усиления УКИ фемтосекундного диапазона.

Усиливающая среда

Энергия насыщения (Дж/см 2 )

Спектральная область (нм)

Растворы красителей

0,001

330 – 800

Эксимерные среды

0,001

190 – 350

Ti:сапфир

1

800

Nd:стекло

5

1050

Yb:стекло

40

1000

[3]

Фемтосекундные импульсы, генерируемые с помощью мощного оптического квантового генератора, имеют длительность порядка 10 -15 с. Прорыв в фемтосекундную область впервые осуществлен с использованием лазеров на красителях, когда впервые удалось получить импульсы длительностью 0,1 пс, то есть 100 фс. Ключевыми проблемами получения сверхкоротких лазерных импульсов фемтосекундного диапазона являются достаточная ширина полосы спектра усиления и синхронизация возможно большего числа продольных мод лазерного резонатора, что требует специальных мер по компенсации дисперсии во всех внутрирезонаторных элементах. Ключевым элементом техники получения ультракоротких лазерных импульсов фемтосекундного диапазона является методика синхронизации мод. [1].

(Синхрониза́ция мод — метод лазерной физики, с помощью которого удаётся связать фазы различных мод в лазере, получив тем самым сверхкороткие импульсы порядка пико- или фемтосекунд) [1].

Модами называют виды колебаний, т.е., стоячие электромагнитные волны которые могут возбуждаться в оптическом резонаторе лазера. Эти колебания характеризуются пространственной конфигурацией оптического резонатора, а также собственной частотой.

Мод обычно бывает очень много, но нас интересуют только те, которые укладываются целое число раз на двойной длине резонатора 2L (так называемые продольные моды).

За счет интерференции волн они образуют стоячую волну, амплитуда которой при многократном отражении от стенок резонатора сильно возрастает. Соответствующие продольным модам частоты расположены через одинаковые интервалы (межмодовые расстояния), равные с/2L, где c – скорость света в резонаторе , L — длина резонатора. Так, например, маленький лазер с длиной резонатора в 30 см имеет мехжмодовое расстояние в 0.5 ГГц. Таким образом, HeNe лазер с длиной резонатора в 30 см и полосой пропускания 1.5 ГГц будет иметь 3 продольные моды, в то время как 128 ТГц Ti:сапфирового лазера c той же длиной резонатора могут генерировать 250.000 мод [4].

Качество оптического резонатора с точки зрения генерирования ультракоротких импульсов напрямую зависит от количества в нем мод. В лазерах с несколькими осциллирующими модами, интерференция вызывает искажения в лазерном спектре частот, то есть к случайным флуктуациям в интенсивностях. В то время как интерференция в многомодовом лазере приводит к какой-то средней почти постоянной интенсивности, и лазерное излучение в таком случае можно рассматривать как квазинепрерывное.

В простом лазере каждая из мод осциллирует независимо, то есть фазы этих мод принимают произвольные значения. Но если у каждой моды зафиксировать фазу между ней и всеми остальными модами, то не будет наблюдаться случайной или постоянной интенсивности в лазерном спектре. Вместо этого моды лазера будут периодично складываться, образуя импульсы очень малой длительности и большой интенсивности писанный процесс является синхронизацией мод, который равно, как и получение большого количества мод, нужен для генерации сверхкоротких импульсов [4].

Существует активная и пассивная синхронизация мод. Главное отличие этих двух методов состоит в том, что при активной синхронизации мод требуется специальное устройство, которое будет синхронизировать моды (амплитудный или фазовый модулятор), а при пассивной – синхронизация мод осуществляется за счёт нелинейности элементов резонатора лазера: насыщающегося поглотителя или же Керровской нелинейности самой активной среды. Установление процесса синхронизации мод при активной амплитудной модуляции можно объяснить следующим образом. Изменение во времени коэффициента пропускания модулятора возбуждает в каждой моде боковые составляющие, совпадающие по частотам с соседними модами. При возбуждении с помощью оптической накачки лазерной среды порог генерации достигается сначала на частоте ν 0 . Поле этой моды модулируется амплитудным модулятором с частотой δν , в результате чего возникают боковые составляющие с частотами ν0 ±δν , имеющие определенный амплитуды и фазы. Так как частоты боковых составляющих соответствуют собственным частотам резонатора, то поля боковых составляющих также усиливаются и модулируются в свою очередь с частотой модуляции δν . В результате возникают боковые составляющие с частотами ν0 ±2δν . Этот процесс продолжается до тех пор, пока все моды внутри области генерации не оказываются взаимно связанными, то есть синхронизированными.

Активная синхронизация мод осуществляется, как правило, при использовании электрооптических модуляторов света, основанных на эффекте Керра или же эффекте Поккельса, помещаемых внутрь лазерного резонатора.

Применение механических модуляторов, таких, как вращающиеся диски или же зеркала затруднено необходимостью использования высоких частот модуляции, равных частоте межмодовых биений, т.е., частот порядка 100МГц. При пассивной синхронизации мод основой механизма, как и при активной синхронизации, является временная модуляция потерь в резонаторе. Однако в отличие от активной при пассивной синхронизации система сама определяет моменты времени, соответствующие минимуму потерь. Осуществляется это с помощью, так называемого насыщающего поглотителя, который помещается в оптический резонатор лазера. Этот оптический прибор устроен так, что ослабляет свет низкой интенсивности и передает высокий пик интенсивности. Подобная зависимость коэффициента пропускания поглотителя от интенсивности падающего излучения типична для одного из самых распространённых нелинейно-оптических эффектов – эффекта насыщения.

Лазеры с активной синхронизацией сегодня уже практически не используются из-за сложности изготовления устройств синхронизации. Пассивная синхронизация обеспечивает большую стабильность, но зато существуют проблемы с запуском системы, сконструированной для данного типа синхронизации мод [2].

Глава 3. Применения фемтосекундного лазера.

Уникальные свойства фемтосекундных лазеров определяют их широчайшее применения в различных областях науки, техники и медицины. Эффективность практического использования УКИ может быть обусловлена минимальной длительностью импульса связанной с ней малой временной когерентностью, максимальными пиковой мощностью и интенсивностью, большими временной когерентностью и средней мощностью цуга УКИ. Ниже перечислены основные применения УКИ с указанием ключевого параметра характеристики излучения. Очевидно, что в рамках одного обзора невозможно даже кратко рассмотреть все возможные применения, поэтому ограничимся упоминанием лишь тех, которые связанны с предельными параметрами излучения и реализованы в последнее время.

    1. Применение в науке.
  1. Применения, основанные на минимальной длительности импульса: