ГЛАВА 4. БЫСТРОЕ УПРАВЛЕНИЕ ФАЗОЙ. КОМПРЕССИЯ И ФОРМИРОВАНИЕ СВЕТОВЫХ ИМПУЛЬСОВ

Получение предельно коротких импульсов есть результат реализации простого и наглядного принципа компрессии — фокусировки оптического излучения во времени. Ключевыми моментами фокусировки во времени (здесь прослеживается ясная аналогия с фокусировкой волновых пучков в пространстве) является быстрая фазовая (частотная) модуляция и сжатие промодулированного импульса в диспергирующей среде. Если речь идет о генерации импульсов с длительностью, сравнимой с периодом оптических колебаний, то диапазон сканирования частоты должен быть, очевидно, сравним с несущей частотой.

Наиболее удобным на сегодняшний день методом создания столь быстрой модуляции оказывается фазовая самомодуляция в среде с практически безынерционной электронной нелинейностью. Идеальная система сжатия, по аналогии с безаберрационной фокусировкой волнового пучка, предполагает осуществление линейной по времени частотной модуляции и точной фазировки компонент уширенного спектра в фокальной точке. Практическая реализация условий идеального сжатия — сравнительно трудная задача. Устранение аберраций, возникающих в модуляторе и компрессоре, повышение энергетического КПД, улучшение качества и стабильности сжатых импульсов, эффективное управление формой — проблемы, привлекающие сейчас наибольшее внимание.

§ 4.1. Нелинейно-оптические фазовые модуляторы

Идея использования оптической нелинейности для создания фазового модулятора, «временной линзы», была выдвинута и реализована в конце 60-х годов [1]. Естественно, что в то время в качестве нелинейных материалов использовались жидкости с анизотропно

поляризующимися молекулами, которые обладали сравнительно большой нелинейностью показателя преломления и временем релаксации порядка нескольких пикосекунд.

Фазовая самомодуляция в жидкостях с приводит к возникновению положительного частотного свипирования импульса в тех его частях, где кривизна огибающей положительна. Для сжатия таких импульсов, как следует из рассмотрения § 1.4, необходимы среды с аномальной дисперсией групповой скорости. В качестве таких сред использовались ячейки с парами металлов (в области частот вблизи однофотонного резонанса) [3], устройства, состоящие из пары дифракционных решеток [4], и некоторые типы интерферометров [5]. В экспериментах были реализованы коэффициенты сжатия (от 20 до [6] и от 100 до [7]). Недостатки схем компрессии, в которых используются неограниченные среды, связаны с неоднородностью частотного свипирования в поперечном сечении пучка и с тесной взаимосвязью пространственных и временных эффектов самовоздействия, приводящих к нестабильности параметров сжатых импульсов.

Действительно, степень сжатия импульса пропорциональна относительному уширению его спектра. Обратившись к формуле для относительной величины спектрального уширения (2.3.15)

и учитывая, что эффективное самовоздействие в нелинейной среде происходит на продольной длине области перетяжки пучка где -радиус пучка, получаем, что заметного уширения спектра можно достичь только при уровне мощности который соответствует критической мощности самофокусировки (2.5.9).

Ситуация радикально изменилась благодаря использованию одномодовых волоконных световодов в качестве нелинейных фазовых модуляторов. Малость нелинейной добавки к показателю преломления в кварцевых стеклах с избытком компенсируется возможностью поддержания устойчивого поперечного профиля светового пучка с диаметром на расстояниях порядка характерной длины поглощения (в видимом диапазоне см). Сопоставив с характерной длиной фокальной перетяжки получаем выигрыш в длине нелинейного взаимодействия раз. Используя световоды различной длины, можно достичь значительного спектрального уширения не только для мощных импульсных лазеров, но и для источников, работающих с высокой частотой повторения при пиковой мощности импульсов в единицы ватт. Широкий диапазон прозрачности кварцевых стекол позволяет осуществлять сжатие в большом интервале частот. Кроме того, следует отметить высокую лучевую прочность и стабильность геометрии световодов.

Величина нелинейной добавки к показателю преломления в кварцевых световодах становится сравнимой с разностью показателей преломления сердцевины и оболочки лишь при интенсивностях Если же работать в интервале интенсивностей то вполне адекватной оказывается модель самовоздействия,

основанная на предположении о неизменности модовой структуры излучения в световоде (§ 1.7). Из сохранения модовой структуры однозначно следует еще одно важное преимущество — высокая степень однородности частотной модуляции в поперечном сечении пучка. Реальные ограничения на диапазон сканирования частоты в волоконно-оптнческом модуляторе в значительной мере определяются параметрами входного импульса. Для мощных импульсов пикосекундной длительности основные ограничения связаны с конкуренцией процесса вынужденного комбинационного рассеяния. В случае импульсов с пиковой мощностью в единицы и десятки ватт, для модуляции которых используются длинные световоды лимитирующим фактором становятся оптические потери. Специфика компрессии фемтосекундных импульсов будет рассмотрена в § 4.7.