Воздействие сверхкоротких лазерных импульсов на материалы Лазеры сверхкоротких (предельно коротких) импульсов, лазеры УКИ (ПКИ), фемтосекундные лазеры — оптические квантовые генераторы, способные генерировать импульсы лазерного излучения, которые содержат достаточно малое число колебаний оптического поля. В общем случае ультракороткими лазерными импульсами могут быть названы импульсы короче 100 пикосекунд. Однако, с точки зрения создания новых лазерных систем актуальны исследования в области создания импульсов короче 1 пикосекунды, поскольку длительность импульса порядка 50 пикосекунд может быть уже достигнута с применением относительно дешёвых систем на основе лазерных диодов. Существующие лазеры ультракоротких импульсов достигли длительности порядка 5 фемтосекунд. Имеют место сообщения о создании экспериментальных систем с аттосекундной длительностью импульса. Характерные черты: 1. малая длительность импульса (вектор электрической индукции успевает изменить своё значение всего несколько раз за время длительности импульса); 2. высокая средняя интенсивность во время действия импульса (за счёт малой длительности); 3. широкий спектр излучения (диапазон длины волны от единиц до сотен нанометров); 4. высокая временная когерентность (последовательности импульсов); 5. высокая пространственная когерентность. Принцип действия Принцип действия лазеров УКИ основан на синхронизации мод в лазерном резонаторе . Существует два возможных сценария генерации УКИ. В одном варианте генерация начинается сразу во всех модах со случайной фазой и интенсивностью, а потом происходит отсев, в результате которого все моды становятся жёстко связаны (в резонаторе остаются только моды с определёнными частотами и интенсивностями), таким образом в резонаторе остаётся только один импульс с очень короткой длительностью. Второй вариант — генерация начинается на одной моде, но потом, в результате межмодового взаимодействия, генерация возбуждается и на других модах с необходимой разностью фаз и относительной интенсивностью, в результате чего картина становится точно такой же, как и в первом случае. Формирование импульса обычно происходит за 10 проходов резонатора. Ещё за 10-20 проходов происходит процесс укорочения и усиления импульсов и в конечном итоге получаются стабильные УКИ. В процессе укорочения и усиления импульсов огромное значение имеют нелинейные процессы. Так передний фронт становится более крутым после прохождения просветляющегося поглотителя (или в результате самофокусировки (линза Керра) в активной среде и выделению только «интенсивной» части импульса). Задний фронт укорачивается в результате того, что инверсия населённости не успевает восстановиться за то время пока импульс проходит через активную среду. Для того чтобы процессы усиления и укорочения импульса были наиболее эффективными, необходимо выбирать активные среды как можно тоньше, а мощность накачки больше (но не выходя за пределы стабильной генерации импульсов). Популярные конструкции Наиболее популярны сегодня лазеры на основе титан-сапфира с керровской линзой (3-го поколения) и волоконные лазеры с диодной накачкой (4-го поколения). Первые используются в основном в лабораторных условиях и позволяют получать большую энергию импульса; вторые, более компактные и экономичные, активно используются в прикладных целях (например в телекоммуникациях). Основная часть лазера УКИ, впрочем как и любого другого, это резонатор с активной средой. В отличие от других лазеров активная среда должна обладать достаточным усилением в широкой спектральной области. Следует заметить, что вся оптика, которая применяются в нелинейной оптике, обязательно просветлена. А вместо обычных металлических зеркал применяются диэлектрические. Кроме того для достижения более коротких импульсов применяют специальные, т. н. «чирпирующие» зеркала. Применение 1. Нелинейная оптика (генерация высоких гармоник оптического лазерного излучения) 2. Генерация когерентного вакуумного ультрафиолетового и мягкого рентгеновского излучения 3. Генерация аттосекундных импульсов, получение сверхкоротких импульсов в различных диапазонах длин волн и сверхкоротких импульсов частиц 4. Генерация суперконтинуума (так называемый белый лазер) 5. Генерация когерентного терагерцовового излучения 6. Ускорение электронов нелинейными плазменными волнами до энергий порядка нескольких ГэВ 7. Высокотемпературное фотонное эхо и эхо-процессоры, исследование быстротекущих процессов, фемтохимия, прецизионная спектроскопия, оптические стандарты частоты, инициирование фотоядерных реакций 8. Оптическая томография и микроскопия, прецизионная обработка материалов, опыты по нелинейной квантовой электродинамике (в том числе и релятивистское взаимодействие излучения с веществом) 9. Лазерный гироскоп 10. Телекоммуникации (передача больших объёмов данных) 11. Офтальмологические операции 12. Время-разрешённая фотолюминесцентная спектроскопия Никитюк Д.В. ЭОСО-01-18
