§ 4.6. Управление длительностью и формой сверхкоротких импульсов

Техника пространственной фильтрации спектральных компонент может быть использована не только для фильтрации шумового излучения, но и для управления огибающей импульсов в фемтосекундном масштабе времени [28, 29]. Наибольшие возможности здесь открывает совместное воздействие на амплитуду и фазу фурье-компонент импульса.

Начнем с рассмотрения задачи об «идеальном» компрессоре. Фактически речь идет об устройстве, осуществляющем полную фазировку всех спектральных компонент импульса, тем самым формирующем импульс предельно малой длительности. Выражение для коэффициента передачи пассивного линейного компрессора можно представить в виде

где при всех Спектр импульса, испытавшего фазовую самомодуляцию, записывается следующим образом:

На выходе компрессора получаем

Компрессор фазирует все спектральные компоненты импульса при условии, что

Применительно к линейным системам аналогичная задача рассматривалась в § 1.4.

Реальные решеточные и призменные компрессоры, как было показано в § 4.2, осуществляют фазировку спектральных гармоник в параболическом приближении. Зависимости же возникающие в процессе фазовой самомодуляции, являются более сложными. В качестве иллюстрации на рис. 4.13а приведены зависимости для гауссовского импульса, испытавшего бездисперсионную

фазовую самомодуляцшо. На рис, 4.135 показана форма сжатого импульса при идеальной и квадратичной компрессиях. Видно, что использование идеального компрессора дает существенный выигрыш в интенсивности и степени сжатия. Наложением аподизирующего частотного фильтра с функцией пропускания где и подбором полосы пропускания можно повысить контраст сжатого импульса (рис. 4.136). Это обстоятельство имеет прикладное значение для компрессии импульсов ближнего ИК диапазона с начальной длительностью в десятки пикосекунд; сжатие таких импульсов, как правило, осуществляется в бездисперсионном режиме.

Рис. 4.13. Возможности управления формой импульса с помощью фазировки спектральных компонент: а — спектральная плотность мощности (сплошная линия) и фазы фурье-компонент (штриховая) импульса, испытавшего бездисперсионную фазовую самомодуляцию форма сжатого импульса после «идеального» (сплошная) и квадратичного (штриховая) компрессора, пунктирная линия — сжатый импульс при использовании аподизирующего фильтра [29]

На практике идеальный компрессор можно реализовать с помощью обычной решеточной пары и фазового транспаранта, расположенного в плоскости возвращающегося зеркала (рис. 4.126). Его функция сводится к устранению фазовых аберраций — отклонений реальной зависимости от параболической. Управляемые фазовые транспаранты на основе жидких кристаллов в настоящее время успешно используются в схемах фазовой коррекции когерентных световых пучков и в адаптивных интерферометрах [30].

Сочетание амплитудных и фазовых методов управления спектром, уширенным за счет позволяет не только минимизировать длительность и улучшать структуру сжатых импульсов, но и решать целый ряд задач управления огибающей. В [31] сообщается о генерации спектрально-ограниченных прямоугольных импульсов (длительность импульса около длительность фронта менее с помощью амплитудно-фазовых масок, помещенных в решеточный компрессор. Такие импульсы могут найти применение в метрологии и оптических информационных системах.

Методом амплитудной фильтрации легко сформировать из частотно-модулированного импульса последовательность нескольких им

пульсов. Для иллюстрации приведем некоторые результаты математического моделирования. На рис. 4.14а изображены огибающая частотно-модулированного импульса на выходе световода, зависимость и функция пропускания частотного фильтра, имеющая вид двух сдвинутых полос. Практически однозначная связь между моментом времени и соответствующим участком спектра приводит к тому, что на выходе фильтра формируется последовательность из двух импульсов с огибающей, близкой к прямоугольной. Интервал следования импульсов выражается через скорость частотной модуляции а и ширину «затемненного» участка фильтра На рис. 4.146 показаны импульсы после сжатия.

Рис. 4.14. Управление огибающей с помощью амплитудного транспаранта: а — временные распределения интенсивности, частоты и функция пропускания фильтра; б - спектр импульса после фильтрации , временное распределение интенсивности после фильтрации и на выходе компрессора

Оригинальный подход к формированию импульсов с заданной огибающей развит авторами [321. Его суть сводится к следующему. Задавшись требуемой формой сжатого импульса и решив обратную задачу, можно вычислить требуемые временные распределения интенсивности и фазы входного импульса. Существенно, что длительность входного импульса в 10—100 раз превышает длительность сжатого и поэтому для его формирования можно воспользоваться программируемым быстродействующим модулятором.

В [32] продемонстрировано формирование на выходе компрессора эрмитового импульса с огибающей и характерной длительностью Входной импульс имел длительность и формировался с помощью модулятора с эффективным быстродействием По существу, этот метод аналогичен известному из нелинейной адаптивной оптики световых пучков алгоритму программного управления характеристиками излучения на приемной апертуре [30].

В заключение укажем, что применение в схемах оптической компрессии быстродействующих управляемых элементов позволяет создавать адаптивные системы, контролирующие спектральные и временные характеристики сверхкоротких световых импульсов.