ГЛАВА 6. ФЕМТОСЕКУНДНЫЕ ЛАЗЕРНЫЕ СИСТЕМЫ

Лазерные системы, генерирующие стабильные перестраиваемые по частоте импульсы с длительностями от 100 до несомненно, одно из ярких достижений современной физики и технологии. Важнейшими слагаемыми этого прогресса стали успешная реализация новых идей в комбинировании методов генерации и усиления коротких импульсов в активных лазерных средах, широкое использование управляющих ЭВМ, создание эффективных лазерных и нелинейно-оптических сред.

Современные пико- и фемтосекундные лазерные системы позволяют практически с исчерпывающей полнотой исследовать физику релаксации энергии и фазы оптического возбуждения в сложных молекулах и твердых телах, разработать прямые экспериментальные методы изучения молекулярной динамики.

Прогресс в технике усиления сверхкоротких оптических импульсов сделал возможным генерацию сверхсильных световых полей с напряженностями В/см — на порядок выше внутриатомных полей. Среди других приложений — пикосекундная электроника, генерация сверхкоротких электронных сгустков, рентгеновских и акустических импульсов.

Разумеется, для сколько-нибудь подробного обсуждения опыта, накопленного в этих областях, потребовалась бы отдельная книга. Поэтому в предлагаемой главе мы поставили более скромную задачу — проиллюстрировать тенденции и достижения современной фемтосекундной технологии на примере систем, в которых задающими генераторами являются твердотельные лазеры. Значительное внимание уделено основанным на таких лазерах квазинепрерывным пико- и фемтосекундным системам — создание высокоэффективных нелинейно-оптиче-ских преобразователей на кристаллах калий титанил фосфата делает их поистине универсальными. Материал этой главы в значительной мере основывается на разработках, технических решениях и подходах, развиваемых в Лаборатории нелинейной оптики Московского университета. Сказанное относится и к обсуждению направлений развития генераторов фемтосекундных импульсов в ультрафиолетовом и дальнем инфракрасном диапазонах.

§ 6.1. Общие принципы построения фемтосекундных лазерных систем

В этом параграфе мы рассматриваем структуру фемтосекундных лазерных систем. За последние годы сформулирован и переосмыслен ряд принципиально важных для фемтосекундной лазерной физики

идей, позволивших достичь значительного прогресса прямых методов генерации импульсов с длительностью вплоть до десятков периодов оптических колебаний в лазерах на красителях. Интенсивно развивалась техника волоконно-оптической компрессии, базирующаяся на использовании сред с кубичной нелинейностью для уширения спектра сверхкоротких импульсов и последующей фазировки спектральных компонент. Разработаны эффективные методы усиления фемтосекундных импульсов.

Создание фемтосекундных лазерных систем потребовало не только привлечения новых физических идей, но и новых инженерно-технических решений. Чтобы проиллюстрировать возникающие здесь технические проблемы, приведем ряд оценок. Импульс с длительностью получается за счет фазировки спектральных компонент в диапазоне длин волн При распространении в воздухе на расстояние его длительность за счет дисперсии увеличивается в полтора раза. В прозрачных конденсированных средах (стекло, вода) дисперсионная длина не превышает одного сантиметра. Изменения амплитудных и фазовых характеристик фемтосекундных импульсов при отражении от многослойных диэлектрических зеркал, прохождении через линзы, призмы и другие оптические элементы уже рассматривались в гл. 1. Надо сказать, что разработка широкополосных оптических элементов с контролируемыми амплитудными и, что весьма существенно, фазовыми характеристиками является одной из актуальных задач.

В фемтосекундных лазерах реализация синхронного режима накачки требует согласования длин резонаторов с интерферометрической точностью см), так что при использовании стальной оптической скамьи изменение температуры в лаборатории всего на один градус вызывает нарушение синхронного режима. В связи с этим особое значение приобретают системы автоматической стабилизации и управления оптическими системами с помощью ЭВМ.

Проблемы создания фемтосекундной техники успешно решаются рядом лабораторий. Накопленный при этом практический опыт привел к разработке основных функциональных модулей, позволяющих строить гибкие фемтосекундные системы, ориентированные на приложения в физике полупроводников и твердого тела, исследования в области электрооптики, динамики химических реакций и биологических процессов.

К числу основных модулей относятся задающие генераторы с фиксированной длиной волны, выполненные на основе твердотельных или ионных лазеров. В последнее время особый интерес вызывают высокостабильные лазеры на гранате с неодимом, работающие в режиме активной синхронизации мод или в сдвоенном режиме — синхронизации мод и модуляции добротности. Преобразование частоты задающих генераторов, как правило с уменьшением длительности, осуществляется методами нелинейной оптики (генерация гармоник, параметрическое преобразование частот) или путем накачки перестраиваемых по частоте лазеров (на красителях, центрах окраски, полупроводниковых или ВКР лазеров).

Управление длительностью, включая сжатие до единиц и десятков фемтосекунд, а также формой сверхкоротких импульсов производится с помощью волоконно-оптических компрессоров, содержащих амплитудные и фазовые фильтры. Важным элементом фемтосекундных лазерных систем являются широкополосные усилители (на красителях, эксимерах, стеклах, кристаллах с центрами окраски), позволяющие в ряде случаев достичь пиковых значений мощности И наконец, созданы комплексы контрольно-диагностической аппаратуры, измеряющие энергию, длительность, а также временной ход интенсивности и фазы сверхкоротких импульсов.

Основные функциональные модули, позволяющие строить гибкие фемтосекундные лазерные системы, ориентированные на исследование быстропротекающих процессов и физики воздействия сверхсильных олтических полей на вещество, приведены в табл. 6.1.

Таблица 6.1 (см. скан) Функциональные модули фемтосекундных лазерных комплексов

Далее мы последовательно проследим весь путь импульса от задающего генератора через нелинейно-оптические преобразователи частоты, перестраиваемые лазеры, компрессоры и усилители к системам регистрации временного хода интенсивности и фазы.