ВВЕДЕНИЕ

Фемтосекундные лазерные импульсы — новый этап в изучении сверхбыстрых процессов и получении сверхсильных полей.(Генерация все более коротких импульсов, концентрация световой энергии во времени, применение таких импульсов для воздействия на вещество, исследования быстропротекающих процессов и в системах обработки информации — одно из магистральных направлений развития лазерной физики и техники.,

В 1962-1963 гг. после создания лазеров с модуляцией добротности резонатора, оптика получила в свое распоряжение источники мощных импульсов с длительностями Генераторы «гигантских» наносекундных световых импульсов (их мощности составляли в то время совершили подлинный переворот во многих разделах лазерной физики; в значительной мере своими успехами обязана им и нелинейная оптика.

Следующий крупный успех — прорыв в область пикосекундных масштабов времени датируется 1966-1968 гг. В эти годы были предложены и реализованы методы синхронизации продольных мод лазеров и созданы первые пикосекундные лазеры на стекле с неодимом, генерировавшие импульсы с длительностями до нескольких пикосекунд (их стали называть «сверхкороткими») и мощностями В те же годы были предложены и впервые продемонстрированы методы нелинейно-оптического формирования и сжатия пикосекундных импульсов, запущены параметрические генераторы перестраиваемых по частоте пикосекундных импульсов, позволившие перекрыть видимый и инфракрасный диапазоны спектра. Таким образом, была продемонстрирована эффективность использования быстрой электронной нелинейности в пико- и субпикосекундной оптической технике.

Наконец, в начале 80-х годов несколькими группами был преодолен рубеж началось быстрое освоение фемтосекундного диапазона длительностей Первые успехи здесь были связаны с предложением в 1981 г. новой концепции лазера на красителе с самосинхронизацией мод — системы со сталкивающимися в поглотителе импульсами. В дальнейшем для генерации фемтосекундных импульсов были успешно применены иные схемы синхронизации мод, лазеры иных типов, разнообразные методы нелинейной оптики.

В результате к 1987 г. долгий путь сокращения временных масштабов был пройден практически до конца: получены импульсы длительностью в видимом диапазоне (всего три периода световых колебаний) и на длине волны излучения лазера — световой импульс в один период колебаний! Освоение фемтосекундного масштаба времени означает фактически полную реализацию возможностей оптики в изучении быстропротекающих процессов релаксации энергии и дефазировки оптических возбуждений в веществе. Один период оптического колебания — это предельная длительность светового импульса, но одновременно и предельная «скорость» оптического отклика материальной среды.

С помощью интенсивных фемтосекундных импульсов можно создавать сильно неравновесные состояния для быстро релаксирующих возбуждений (время релаксации в частности электронных возбуждений в многоатомных молекулах, полупроводниках и металлах, наблюдать новые типы быстрых оптически индуцируемых фазовых переходов в веществе. Фемтосекундная оптическая техника позволяет разработать прямые экспериментальные методы изучения молекулярной динамики сложных (в том числе биологически активных) молекул и конденсированных сред, явлений, в исследовании которых до недавнего времени доминировал численный эксперимент.

С прикладной точки зрения главный итог разработки эффективных источников коротких световых импульсов связан с открывающимися теперь возможностями реализации предельных скоростей оптической обработки и передачи информации. В последние годы выполнены эксперименты, ярко их демонстрирующие: созданы оптические бистабильные устройства, переключаемые за времена элементы волоконно-оптических линий связи, информация в которых переносится с помощью оптических солитонов с длительностью, достигающей

С другой стороны, переход к фемтосекундным импульсам — это и очередной скачок по шкале интенсивности. При длительности импульса сравнительно небольшой энергии соответствует мощность Таким образом, в сравнительно скромных по масштабам системах удается перейти к уровням мощности, которые еще совсем недавно удавалось получать только в мультикилоджоульных установках, предназначенных для управляемого термоядерного синтеза.

Благодаря этому совершенно новые экспериментальные средства получила в свое распоряжение нелинейная оптика. В поле сфокусированных фемтосекундных импульсов могут быть получены интенсивности следовательно, напряженности светового поля достигают здесь 1010 В/см. Речь идет, таким образом, о полях, превышающих внутриатомные для атома водорода). В столь сильных полях на первый план выходят новые проблемы нелинейной электронной физики, становятся реальностью прямые эксперименты, имеющие целью наблюдение эффектов, предсказываемых нелинейной квантовой электродинамикой (нелинейное рассеяние света на релятивистских электронах, рассеяние света на свете в вакууме и т. п.).

Перечисленные новые направления физических и прикладных исследований формируют две области — две новые «страны» на лазерной карте энергия — время

В книге, посвященной прежде всего оптике фемтосекундных импульсов, физике их формирования и нелинейного распространения, мы лишь в небольшой мере коснемся приложений.

Рис. В.1. Диаграмма энергия — время. По оси абсцисс отложена длительность лазерных импульсов по оси ординат — энергия импульса здесь же нанесены уровни равной мощности. Выделенные области параметров сверхкоротких импульсов соответствуют новым направлениям в исследовании сверхбыстрых процессов и в нелинейной оптике сверхсильных полей

Представление об этой бурно развивающейся области можно составить, обратившись к трудам последних конференций по нелинейной оптике, спектроскопии сверхбыстрых процессов, специализированным выпускам журналов 11-51.

Генерация и формирование световых импульсов: от модуляции интенсивности к быстрому управлению фазой в активных и пассивных нелинейных системах. Общие принципы, лежащие в основе разнообразных схем генерации световых импульсов, достаточно наглядны (рис. В.2). Короткий световой импульс можно получить, модулируя интенсивность излучения непрерывного оптического источника. Альтернативный подход основывается на фазировке (синхронизации) различных спектральных компонент источника, генерирующего широкий оптический спектр.

Модуляцию интенсивности излучения искрового источника (или солнечного света) с помощью механического затвора или вращающегося зеркала использовали еще Физо и Майкельсон, применившие оптические импульсы для измерения скорости света. Применение электрооптических затворов (сейчас их быстродействие доведено до единиц пикосекунд) позволило принципиально усовершенствовать эту технику. Быстрая электрооптическая модуляция используется и в современных пикосекундных лазерных системах. Однако она играет здесь скорее вспомогательную роль — пиковая мощность

получаемых таким образом импульсов не превышает пиковую мощность исходного квазинепрерывного источника.

Рис. В.2. (см. скан) Принципы геиерации световых импульсов: а — амплитудная модуляцня в пассивной системе; б - модуляция добротности лазерного резонатора; в — синхронизация продольных мод в активном резонаторе; г - фокусировка во времени, быстрая фазовая модуляция и компрессия

Огромное увеличение интенсивности — генерацию «гигантского» оптического импульса — можно получить, управляя с помощью механического или электрооптического затвора добротностью лазерного резонатора с относительно долгоживущими возбужденными состояниями активной среды (рис. В.2а, б). Длительность «гигантского»

импульса определяется свойствами активной среды и резонатора; в принципе, таким методом можно генерировать импульсы длительностью до однако реально достигнутые значения относятся к наносекундному диапазону.

Фазировка различных компонент широкого спектра позволяет одновременно укоротить импульс и резко увеличить пиковую мощность, поэтому практически всеми своими достижениями современная пико- и фемтосекундная лазерная техника обязана эффективному использованию этого фундаментального принципа. Рис. иллюстрирует методы фазировки спектральных компонент в дискретном спектре практически эквидистантных мод, генерируемых многомодовым лазером. Если ширина линии усиления значительно превышает межмодовый интервал то вид суммарного поля

решающим образом определяется статистикой фаз Для независимых мод плотность вероятности

и поле оказывается, по существу, интенсивным оптическим шумом со временем корреляции Если же моды сфазированы (для фазировки можно использовать их нелинейное взаимодействие — самосинхронизацию мод или внешнее воздействие на межмодовой частоте — принудительную синхронизацию мод), то возникает регулярная последовательность импульсов с частотой повторения и длительностью а результирующее поле имеет вид

здесь, для простоты, амплитуды выбраны равными а фазы

Фазировку спектральных компонент можно осуществить и в пассивных системах; особый интерес представляют методы фазировки в сплошном спектре. Хотя, в принципе, можно предложить способы фазировки компонент в спектре нелазерного источника, такой подход является весьма сложным и энергетически невыгодным. Поэтому исходное широкополосное излучение, фазировка компонент которого приводит к генерации коротких импульсов, получают при самовоздействиях или взаимодействиях лазерных импульсов в нелинейной среде. В этом случае речь идет о регулярном широкополосном световом пакете, фазовые соотношения в котором надо изменить. Рис. иллюстрирует один из наиболее эффективных вариантов этой техники — компрессию фазово-модулированного импульса.

Быстрая фазовая модуляция, расширяющая спектр, получается за счет самовоздействия исходного импульса в среде с кубичной нелинейностью; фазировка спектральных компонент, а следовательно,

(кликните для просмотра скана)

и сжатие импульса осуществляется в диспергирующей линии задержки (пара дифракционных решеток). Возможны и другие варианты метода, в которых для получения широких спектров используются трех- и четырехволновые нелинейные взаимодействия.

Для пояснения принципов действия систем, изображенных на рис. В.2в, г, мы воспользовались наглядными спектральными представлениями. Вместе с тем анализ их работы можно провести и не прибегая к спектральным разложениям, а непосредственно прослеживая трансформацию огибающей импульса, т. е. на временном языке. Тогда осуществляемую в схеме на рис. В.26, г компрессию следует трактовать как результат «нагона» в диспергирующей линии задержки низкочастотных спектральных компонент, располагающихся на фронте импульса, высокочастотными компонентами, первоначально сгруппированными на его хвосте.

На рис. В.3 показана временная эволюция короткого светового импульса в генераторе с самосинхронизацией мод. Усиление и нелинейное поглощение (передаточная характеристика нелинейного элемента, называемого экспандером, показана на рисунке) приводят к сжатию импульса по мере его рециркуляции в резонаторе. Временное описание позволяет проследить динамику установления режима синхронизации мод, проанализировать явления, выпадающие из рассмотрения при стационарном спектральном описании.

Общие идеи, лежащие в основе методов генерации сверхкоротких световых импульсов за счет фазировки компонент дискретного или сплошного спектра, пришли в оптику из радиофизики. Многомодовый лазер, в котором моды самосинхронизируются за счет взаимодействия в среде с нелинейным поглощением, является аналогом известного радиочастотного генератора коротких импульсов. Компрессия фазово-модулированных сигналов использовалась еще в 60-х годах для повышения пиковой мощности сигнала в радиолокационных системах. Возможности современной линейной и нелинейной оптической техники позволили реализовать эти принципы в гораздо большей мере, нежели это было сделано в радиотехнике.

Стоит отметить также, что обсуждаемые принципы имеют глубокие аналогии в классической оптике волновых пучков. Действительно, сформулированная выше на спектральном языке, задача о генерации цуга коротких импульсов за счет суперпозиции синхронизованных дискретных мод аналогична классической задаче о дифракции плоской волны на амплитудной решетке, а формула (2) совпадает с известной формулой дифракционной решетки. Сжатие фазово-модулированного сигнала дисперсионным элементом (оптическим компрессором) — это временной аналог пространственной фокусировки пучка с помощью линзы.

Во всех этих ситуациях главный вопрос — управление фазой световой волны. Технику управления фазой в пространстве оптика освоила по существу еще в прошлом веке. Необходимое для генерации предельно коротких импульсов быстрое управление фазой во времени — достижение последних лет. Для ее реализации надо располагать, очевидно, системами с быстро изменяющимися во времени параметрами.

Поскольку в пределе речь идет об изменениях с временем порядка периода световых колебаний, наиболее перспективный путь решения задачи — это управление самой световой волной, основанное на использовании быстрой оптической нелинейности. Сказанным и объясняется в значительной мере интерес к нелинейным взаимодействиям и самовоздействиям коротких световых импульсов в средах с быстрым нелинейным откликом.

Генерация предельно коротких импульсов, разумеется, далеко не единственный стимул этих исследований. Нелинейная оптика внесла большой вклад в физику солитонов; использование нестационарных нелинейных взаимодействий лежит в основе эффективных методов нелинейной лазерной спектроскопии.

В предлагаемой книге главный акцент сделан на результатах, полученных в нелинейной оптике волновых пакетов в последние восемь — десять лет.

С историей первого этапа работ по генераторам, оптике коротких световых импульсов можно ознакомиться, обратившись к работам Хелвортса [6] и Де-Марии [71. Состояние дел к 1975 г. подытожено в коллективной монографии [8], написанной ведущими специалистами в области пикосекундной физики и техники.

В 1985 г. отмечался 25-летний юбилей создания первого лазера. Очерки истории развития основных идей квантовой электроники, физики лазеров даны в статьях Прохорова [9] и Басова [10]. Отдельные аспекты пико- и фемтосекундной лазерной физики и техники обсуждаются в обзорах [11—13]. Укажем, наконец, на опубликованные в самое последнее время монографии [14, 15].