Генерация ультракоротких лазерных импульсов

Для получения ультракоротких, пико- и фемтосекундных импульсов излучения необходимо обеспечить два условия: широкополосный спектр излучения и правильную фазовую задержку между разными излучающими частотами. Традиционно, в качестве активной среды используется наиболее широкополосный кристалл - Ti:Sapphire, хотя возможны ультрабыстрые системы на неодимовом стекле, кристаллах Nd:YAG, Nd:YLF и других. Устойчивый конфокальный резонатор обеспечивает одновременную генерацию большого количества продольных мод, и, при определенных условиях, в осцилляторе возникает эффект керровской синхронизации мод, обеспечивающий необходимую фазовую задержку. Таким образом, минимально возможная фемтосекундная система состоит из осциллятора и лазера накачки. Семейство ультрабыстрых осцилляторов фирмы Coherent представлено на схеме ниже

Для подобной системы частота импульсов определяется оптической длиной резонатора, и составляет обычно несколько десятков МГц. Средняя мощность определяется мощностью лазера накачки и составляет единицы ватт. Таким образом, энергия в импульсе достаточно мала и исчисляется наноджоулями. Если требуется поднять энергию в импульсе, пожертвовав частотой, на помощь приходит усилитель - многопроходный или регенеративный. Семейство ультрабыстрых усилителей фирмы Coherent представлено на схеме ниже:

Конструктивно усилитель также представляет резонатор с кристаллом титан-сапфира, но снабжен системой электрооптических затворов, которые позволяют селективно запустить в усилитель одиночный инициирующий импульс излучения из осциллятора и вывести его наружу после нескольких проходов через кристалл. Как правило, чтобы избежать повреждения кристалла сверхвысокой мощностью излучения, импульс предварительно растягивают по времени, используя диспергирующую среду или систему дифракционных решеток, и снова сжимают после выхода из усилителя. Сам же усилитель при этом накачивается излучением импульсного или непрерывного твердотельного лазера - в зависимости от того, какую частоту и энергию на выходе мы хотим получить. Усилитель RegA (с непрерывной накачкой) работает на частотах в сотни килогерц и имеет несколько микроджоулей в импульсе, тогда как усилители LEGEND и LIBRA занимают диапазон 1-5 кГц и выдают порядка одного миллиджоуля в импульсе. Высокоэнергетичный усилитель HIDRA работает при частотах в десятки герц, а энергия его импульса достигает 100 мДж, таким образом приближая его к следующему классу - тераваттным системам. Все три усилителя (LEGEND, LIBRA и HIDRA) требуют импульсной накачки.

В то время как регенеративный усилитель расширяет наши возможности выбора энергии системы, часто бывает необходима также возможность манипулировать рабочей длиной волны. Для этого используются (поодиночке или в комбинации) три механизма:

а) генерация гармоник - позволяет достичь УФ (вторая гармоника) или глубокого УФ (третья гармоника) диапазона;

б) параметрическая генерация - используется свойство некоторых кристаллов расщеплять пучок излучения, проходящий под определенным углом, на два, с разными частотами (соотносящимися между собой в соответствии с законом сохранения энергии). Это позволяет практически полностью перекрыть видимый и ближний ИК-диапазон;

в) когда требуется перейти к среднему и дальнему инфракрасному излучению, параметрический кристалл дополняют еще одним - генератором разностной частоты. Смешивая в нем два луча, выходящие из параметрики, можно получить на выходе луч с длиной волны, соответствующей разности их энергий. Таким образом удается получать длины волн до 15-20 мкм.