§ 6.6. Генерация и усиление мощных фемтосекундных импульсов УФ диапазона

Проблема формирования мощных фемтосекундных импульсов УФ диапазона представляет значительный интерес в связи с фундаментальными приложениями в лазерной фотохимии, физике плазмы и конденсированных сред. Импульсы УФ излучения с пиковыми мощностями, достигающими могут быть использованы для генерации излучения в области вакуумного ультрафиолета и мягкого рентгена. За последние годы в физике и технике генерации мощных УФ импульсов получен ряд важных результатов, их анализу и посвящен данный параграф.

Уже в начале 80-х годов стало ясно, что перспективы генерации сверхкоротких импульсов УФ диапазона связаны с удвоением частоты лазеров на красителях и их последующем усилении в эксимерных усилителях. Трудности в осуществлении пассивной или активной синхронизации мод эксимерных лазеров вызваны, прежде всего, малыми временами существования инверсии в активной среде что резко ограничивает число проходов излучения по резонатору. К настоящему времени минимальная длительность, реализованная в режиме активной синхронизации мод, составляет [74]. Итоги развития пикосекундных эксимерных систем подведены в обзоре [75].

Переход в фемтосекундный диапазон длительностей стал возможен благодаря прогрессу в генерации сверхкоротких импульсов видимого диапазона, развитию техники волоконно-оптической компрессии, усиления и нелинейно-оптического преобразования частоты из видимого в УФ диапазон. Это позволило сформировать достаточно мощные затравочные импульсы для каскадного усиления в эксимерных усилителях. Преимущества эксимерных сред для усиления фемтосекундных УФ импульсов обусловлены сравнительно большой шириной полосы усиления для при высоким удельным энергосъемом и большим КПД (1 %). Поэтому фемтосекундные лазерные системы, созданные в ведущих лазерных лабораториях, отличаются, в основном, техникой формирования затравочных УФ импульсов.

В [76] использовался лазер на красителе, синхронно накачиваемый аргоновым лазером. Выходные импульсы имели длительность при средней мощности на длине волны излучения С помощью волоконно-оптического компрессора они сжимались до и усиливались в четырехкаскадном усилителе, накачиваемом

излучением второй гармоники YAG : Nd3+ лазера с модуляцией добротности до энергии Удвоение частоты производилось в кристалле KDP. Сформированные таким образом затравочные импульсы усиливались в двухкаскадном усилителе до энергии Длительность выходных импульсов составляла пиковая мощность

Авторы [77] выбрали в качестве задающего генератора квазинепрерывный YAG : Nd3+ лазер с активной синхронизацией мод, который, после удвоения частоты, накачивал лазер на красителе с пассивной синхронизацией мод. Последний генерировал импульсы длительностью на длине волны при средней мощности Они сжимались в волоконно-оптическом компрессоре до и усиливались в двухкаскадном усилителе на красителе, накачиваемом второй гармоникой YAG : Nd3+ лазера с модулированной добротностью. Усиленные импульсы имели длительность и энергию Затем они каскадно утраивались по частоте и усиливались в двух усилителях. В итоге на длине волны получались импульсы с длительностью и энергией что соответствует пиковой мощности

В [78] излучение наносекундного эксимерного лазера не, использовалось для накачки целого ряда кювет с красителями, первая из которых представляла собой лазер на красителе с «гасящимся» резонатором Усиленные импульсы этого лазера накачивали лазер с коротким резонатором импульсы которого вновь усиливались в трехкаскадном усилителе на красителе, снабженном насыщающимися межкаскадными фильтрами Полученные импульсы накачивали лазер на красителе После очередных трех каскадов усиления, их частота удваивалась в кристалле KDP толщиной Энергия затравочных УФ импульсов составляла В эксимерном модуле, работавшем по двухпроходной схеме, их энергия возрастала до

В последующей работе [79] благодаря замене красителей в лазере и усилителях, затравочные импульсы формировались на длине волны Они усиливались в усилителе и, после двух проходов, имели энергию при длительности Было обнаружено, что импульсы обладали линейной частотной модуляцией, это позволило сжать их с помощью призменного компрессора до Для дальнейшего усиления несжатых импульсов использовался широкоапертурный модуль, на выходе которого достигалась энергия

В лаборатории нелинейной оптики Московского университета создана фемтосекундная УФ система (рис. 6.23), в которой задающим генератором является мощный твердотельный лазер с пассивной синхронизацией мод и электронным управлением добротностью резонатора, подробно описанный в §6.2. Такой принцип построения фемто-секундной эксимерной системы позволяет иметь мощные пикосекунд-ные импульсы диапазона, синхронизованные с пико- и фемтосекундными импульсами видимого и УФ диапазонов. Другие узлы

системы — волоконно-оптический компрессор и двухкаскадный усилитель на красителе, накачиваемый излучением эксимерного лазера, также рассмотрены в § 6.4 и 6.5.

Рис. 6.23. Фемтосекуидная лазерная система УФ диапазона, созданная в Лаборатории нелинейной оптики Московского университета [80]

Для удвоения частоты сжатых импульсов использовался кристалл KDP толщиной с шириной полосы спектрального синхронизма на длине волны основного излучения — и на ллине волны гармоники — преобразования во вторую гармонику — 5%, энергия затравочного импульса — при длительности Отношение пикового значения интенсивности к интенсивности побочных максимумов составляло не менее 400. После двухкаскадного усиления энергия выходных импульсов достигла что при длительности соответствует пиковой мощности Корреляционная функция интенсивности, измеренная методом генерации второй гармоники при отражении от поверхности нелинейного кристалла, приведена на рис. 6.24. Детали техники измерений обсуждаются в § 6.8.

Рис. 6.24. Корреляционная функция интенсивности УФ импульса, измеренная по методу неколлинеаркой генерации второй гармоники при отражении от поверхности нелинейного кристалла [81]

Таблица 6.4 (см. скан) Сравнительные характеристики фемтосекундных экснмерных лазерных систем

Информация по фемтосекундным эксимерным системам суммирована в табл. 6.4.

Остановимся подробнее на усилении фемтосекундных импульсов в эксимерах. Основные особенности здесь связаны с широкой полосой усиления и большим сечением индуцированного перехода Поэтому в эксимерных усилителях велика вероятность возникновения паразитной генерации, что приводит к необходимости использования затравочных импульсов с высоким контрастом и осуществления пространственной фильтрации излучения в промежутках между каскадами. Большая часть запасенной в среде энергии может быть снята коротким импульсом излучения при условии, что затравочный импульс

Рис. 6.25. Зависимость плотности энергии усиленного в эксимере пико- (треугольники) и фемтосекундного (кружки) импульсов от плотности энергии входного излучения [80]

обладает достаточно высокой энергией (такой, чтобы выход на уровень энергии насыщения осуществлялся на малом по сравнению с полной длиной усилителя расстоянии) и достаточно широким спектром (сравнимым с шириной линии усиления). В экспериментах [801 наглядно продемонстрировано увеличение энергии насыщения более чем в два раза при уменьшении от до

Теоретическое исследование процесса усиления коротких импульсов в эксимерном лазере выполнено в [80, 81]. Важным, хотя быть может и несколько неожиданным на первый взгляд, оказывается вывод о том, что по мере сокращения длительности импульса, процесс усиления становится практически полностью некогерентным. Это обусловлено специфической структурой спектра эксимерной молекулы. Поэтому, если при усилении пикосекундных импульсов возможны проявления когерентных эффектов, связанных с осцилляциями населенностей на отдельных вращательных переходах, разбиение на субимпульсы (рис. 6.26) и т. п., то усиление фемтосекундных импульсов базируется на некогерентных взаимодействиях.

Рис. 6.26. Измеренная с помощью электронно-оптической камеры форма пикосекундного УФ импульса на выходе усилителя, работающего в режиме глубокого насыщения. Разбиение на субимпульсы связано с когерентными эффектами [81]

Рис. 6.27. Сверхуширение спектра фемтосекундпого УФ импульса в воздухе при фокусировке линзой с фокусным расстоянием пиковая мощность исходного импульса длительность [81]

В настоящее время интенсивно исследуются нелинейно-оптические явления в поле мощных фемтосекундных импульсов. В [83] впервые было зафиксировано значительное уширение спектра при фокусировке в воздухе фокусное расстояние линзы — До фокуса ширина спектра импульсов составляла после фокуса она возрастала до Аналогичное уширение наблюдалось и в [811, соответствующие спектры приведены на рис. фокусное расстояние — Видна модуляция с периодом около уширенного до по основанию

спектра. Уширение спектра не сопровождалось заметными искажениями формы импульса, поэтому эффект может быть использован в широкополосной абсорбционной спектроскопии. Вопрос о физических механизмах сверхуширения спектра является достаточно сложным. Ясно, что существенную роль здесь играет фазовая самомодуляция, проявляющаяся в условиях самофокусировки, и генерация плазмы [83].

Фундаментальные физические приложения сверхмощных источников фемтосекундных УФ импульсов связаны с изучением поведения вещества в экстремально сильных полях, т. е. полях с напряженностями, превышающими внутриатомные В/см). Для рассматриваемых лазерных систем уже в ближайшее время реально достижимым уровнем энергии следует считать величину при длительности