§ 6.7. Фемтссекундные импульсы в дальней ИК области

Для нестационарной спектроскопии многоатомных молекул, разработки методов получения неравновесных внутримолекулярных возбуждений, изучения физики узкозонных полупроводников принципиальное значение имеет создание источников мощных сверхкоротких импульсов дальнего ИК диапазона.

Идея использования фазовой самомодуляции и дисперсионного сжатия оказалась весьма плодотворной и в ИК диапазоне на длине волны генерации лазера. Отправным пунктом здесь явились эксперименты [84], в которых импульс лазера с исходной длительностью поступал в регенеративный усилитель высокого давления. В процессе формирования цуга выходных импульсов наблюдалось их укорочение от до при характерных значениях пиковой интенсивности В [84] высказано предположение, что наблюдавшееся укорочение импульсов связано с формированием волны электронной плотности. Индуцированное излучением повышение концентрации заряженных частиц вызывает изменение действительной и мнимой частей показателя преломления и, следовательно, приводит к появлению частотной модуляции. При распространении в среде с аномальной дисперсией, а в обсуждаемом эксперименте это были лазерные окна, изготовленные из кристаллов частотно-модулированный импульс сжимается.

В последующих теоретических работах [85, 86] был проведен анализ взаимного влияния мощного импульса излучения лазера и порождаемой им волны электронной плотности. Показано, что если интенсивность лазерного импульса достаточно велика, чтобы вызвать изменение концентрации электронов, то результирующее изменение показателя преломления вызовет увеличение текущего значения частоты временем на фронте импульса и рост поглощения на хвосте.

Различные физические механизмы, приводящие к росту концентрации зарядов («разогрев» электронов излучением с последующей ионизацией электронным ударом и фотоионизация электронно-возбужденных атомов в поле интенсивного излучения), анализируются в [86].

В [87] сообщается о последних достижениях в области генерации фемтосекундных ИК импульсов методом стробирования сравнительно длинного не, импульса гибридного лазера. Для стробирования использовались два быстрых полупроводниковых ключа. Первый из них, изготовленный из теллурида кадмия, работал на отражение (рис. 6.28). В момент прихода мощного фемтосекундного импульса видимого диапазона в поверхностном слое полупроводника генерируются свободные носители с высокой концентрацией.

Рис. 6.28. Схема экспериментальной установки для генерации фемтосекундных импульсов ИК диапазона: 1 — фемтосекукдный лазер на красителе, 2 — усилитель на красителе, 3 — гибридный лазер, 4 - ключ, работающий на отражение, 5 — германиевый эталон, 6 - поляризатор, 7 — кварцевый ключ, работающий на пропускание [87]

В результате формируется плазменное зеркало, направляющее ИК импульс во второй ключ, работающий на пропускание. Этот ключ изготовлен из кремния и используется для формирования хвоста ИК импульса.

Стробирующие импульсы видимого диапазона с длительностью генерировались лазером на красителе и усиливались в двухкаскадном усилителе, накачиваемом излучением эксимерного лазера. Время их прихода на ключи регулировалось с помощью линии оптической задержки. Результирующий ИК импульс имел длительность что соответствует четырем оптическим периодам на длине волны излучения Его спектр, изображенный на рис. 6.29, простирался от 7,5 до Мощность полученного ИК импульса сравнительно невелика:

Из рис. 6.29 видно, что центральная длина волны в спектре фемтосекундного ИК импульса сдвинута в антистоксову область по сравнению с исходной Этот сдвиг, по мнению авторов, обусловлен ростом плотности свободных носителей заряда во втором

ключе и связанной с этим частотной модуляцией проходящего импуль" Уменьшение длительности стробирующего импульса лазера на красителе до открывает реальные перспективы генерации ИК импульсов с длительностью в один оптический период.

Альтернативный подход к стробированию импульсов лазера развит в [88]. Он основан на двойной генерации разностной частоты по схеме: В первом каскаде из затравочного излучения непрерывного лазера (мощность и пикосекундного импульса стробирующего лазера на аллюминате иттрия формировались импульсы разностной частоты Во втором каскаде в результате параметрического взаимодействия накачки и разностной частоты вновь генерировались импульсы десятимикронного излучения с энергией и длительностью Эти импульсы инжектировались в регенеративный усилитель высокого давления, на выходе которого излучение представляло собой из 10 импульсов. Максимальная энергия отдельного импульса

Рис. 6.29. Спектр ИК импульса длительностью в четыре оптических периода [87]

Метод двухкаскадной генерации разностной частоты позволяет достаточно просто и с высокой эффективностью формировать сверхкороткие ИК импульсы. Изменяя интенсивности взаимодействующих в первом каскаде волн и длину нелинейных кристаллов, можно управлять длительностью импульсов. Предельные возможности схемы, с точки зрения достижения минимальной длительности, определяются полосой пропускания параметрического преобразователя. Так при длине кристалла можно преобразовывать импульсы с длительностью, превышающей Уменьшение длины кристалла приводит к уширению полосы преобразования, но снижает его эффективность

Рассмотренные лазерные системы работают на фиксированной длине волны излучения лазера, в то время как для спектроскопических приложений необходимы источники, перестраиваемые по частоте. Здесь хорошо зарекомендовали себя схемы генерации разностной частоты [89]. Мощные пикосекундные импульсы лазера на фосфатном стекле поляризация) и излучение параметрического генератора о — поляризация) смешиваются в кристалле прустита по неколлинеарной схеме. При повороте кристалла на угол 22° реализуется плавная перестройка в диапазоне длин волн Генерация разностной частоты позволяет достичь сравнительно высокую энергетическую эффективность — до от энергии сигнальной волны. Дальнейшее продвижение в ИК диапазон до осуществляется генерацией разностной частоты в кристалле

Использование техники генерации разностной частоты в фемто-секундном диапазоне длительностей продемонстрировано в [90]. Импульсы кольцевого лазера на красителе усиливались до энергии в трехкаскадном усилителе на красителе, накачиваемом эксимерным лазером. Часть излучения фокусировалась в кювету с этанолом, в которой за счет сверхуширения спектра генерировался субпикосекундный световой континуум. Полученный таким образом импульс, совместно с оставшейся частью излучения с выхода усилителя, фокусировался в кристалл На выходе получалось излучение на разностной частоте, перестраиваемой при повороте кристалла в диапазоне длительность импульсов пиковая мощность

Рис. 6.30. Характеристики ПГС на кристалле накачиваемом основной частотой YAG : Nd3+ лазера: а — перестроечные кривые; б - зависимость квантовой эффективности от длины волны; светлые кружки — сигнальная волна, темные — холостая [91]

Для создания ПГС в ИК диапазоне весьма перспективно использование кристаллов обладающих высокой нелинейностью и широким окном прозрачности от 0,6 до На рис. 6.30а приведена перестроечная кривая этого генератора с накачкой от YAG: Nd3+ лазера. Рис. 6.306 иллюстрирует зависимость квантовой эффективности от длины волны излучения [91].

В последнее время наметились перспективы компрессии импульсов среднего ИК диапазона. Они связаны с совершенствованием волоконных световодов на основе халькогенидных и флюоридных стекол, которые можно будет использовать для создания частотной модуляции, и прямыми экспериментальными наблюдениями сильной фазовой самомодуляции ИК импульсов в полупроводниках [90], что позволяет реализовать их последующее сжатие в дисперсионных линиях задержки. Дополнительные возможности появляются при использовании эффекта кросс-модуляции. С помощью мощного возбуждающего ИК импульса, частота которого близка к резонансной, в полупроводнике индуцируются быстрые и значительные изменения показателя преломления, приводящие к частотной модуляции длинноволнового импульса.