Ultralyhyet ( erittäin lyhyet ) pulssilaserit , USP - laserit (PKI), femtosekundilaserit ovat optisia kvanttigeneraattoreita, jotka pystyvät generoimaan lasersäteilypulsseja, jotka sisältävät melko pienen määrän optisen kentän värähtelyjä.
Yleisessä tapauksessa alle 100 pikosekuntia lyhyempiä pulsseja voidaan kutsua ultralyhyiksi laserpulsseiksi. Uusien laserjärjestelmien luomisen näkökulmasta tutkimus 1 pikosekuntia lyhyempien pulssien luomisen alalla on kuitenkin relevanttia, koska 50 pikosekunnin suuruusluokkaa oleva pulssin kesto voidaan jo saavuttaa käyttämällä suhteellisen halpoja laserdiodeihin perustuvia järjestelmiä .
Nykyiset ultralyhyt pulssilaserit ovat saavuttaneet 5 femtosekunnin luokkaa olevan keston. On olemassa raportteja kokeellisten järjestelmien luomisesta, joiden pulssin kesto on attosekunti.
Hahmon luonteenpiirteet:
USP - laserien toimintaperiaate perustuu moodilukitukseen laserontelossa . USP:n luomiselle on kaksi mahdollista skenaariota. Yhdessä versiossa generointi alkaa välittömästi kaikissa moodeissa satunnaisella vaiheella ja intensiteetillä, ja sitten tapahtuu katkeaminen, jonka seurauksena kaikki moodit kytkeytyvät jäykästi (resonaattoriin jää vain tietyn taajuuden ja intensiteetin tilat), joten vain yksi pulssi jää resonaattoriin hyvin lyhyen ajan. Toinen vaihtoehto on, että generointi alkaa yhdestä moodista, mutta sitten intermoodivuorovaikutuksen seurauksena generointi viritetään myös muissa tiloissa vaaditulla vaihe-erolla ja suhteellisella intensiteetillä, minkä seurauksena kuvasta tulee täsmälleen sama kuin ensimmäinen tapaus. Pulssin muotoutuminen tapahtuu tavallisesti 10 resonaattorikierroksella. Toisessa 10–20 kierrossa tapahtuu pulssien lyhennys- ja vahvistusprosessi, ja lopulta saadaan vakaat USP:t. Pulssin lyhentämis- ja vahvistusprosessissa epälineaariset prosessit ovat erittäin tärkeitä. Siten etureunasta tulee jyrkempää, kun se on kulkenut valkaisevan vaimentimen läpi (tai aktiivisessa väliaineessa tapahtuneen itsetarkentumisen (Kerr-linssi) ja vain pulssin "intensiivisen" osan erottamisen seurauksena). Takareuna lyhenee, koska populaatioinversiolla ei ole aikaa toipua pulssin kulkiessa aktiivisen väliaineen läpi. Jotta pulssin vahvistus- ja lyhennysprosessit olisivat tehokkaimpia, aktiivinen väliaine on valittava mahdollisimman ohueksi ja pumpun teho on suurempi (mutta ei ylitä stabiilin pulssin tuoton rajoja).
Siinä on aktiivinen ja passiivinen tilan lukitus. Joten aktiivisen tilan lukituksen tapauksessa tarvitaan erityinen laite, joka lukitsee tilat suoraan (synkroninen pumppaus tai erityinen modulaattori Q-kytketyssä tilassa - Q-modulaatio), kun taas passiivisella lukituksella tämä tapahtuu automaattisesti johtuen suunnitteluominaisuuksia. Aktiivisella synkronoinnilla varustettuja lasereita ei käytännössä käytetä nykyään synkronointilaitteiden valmistuksen monimutkaisuuden vuoksi. Passiivisesti lukituissa lasereissa on kaksi laserointikynnystä. Ensimmäinen on melko tavallinen, kun pumppaus ylittää ensimmäisen kynnyksen, USP-laser toimii perinteisenä viritettävänä laserina. Kun toisen kynnyksen pumpun teho ylittyy, syntyy suotuisat olosuhteet USP:iden muodostumiselle, mutta tuotannon aloittaminen saattaa vaatia lisätoimenpiteitä, esimerkiksi nopeaa liikettä tai GVD-kompensaattorin työntämistä (Group Velocity Dispersion). ), yleensä tämä on tarpeen kohinapurskeen ilmaantumisen vuoksi, josta USP-sekvenssi kehittyy edelleen .
Tämän hetken suosituimmat laserit, jotka perustuvat titaanisafiiriin Kerr-linssillä (3. sukupolvi) ja kuitulaserit, joissa on diodipumppaus ( 4. sukupolvi). Ensimmäisiä käytetään pääasiassa laboratorio-olosuhteissa ja niiden avulla voit saada suuren pulssienergian; toisia, kompakteja ja taloudellisempia, käytetään aktiivisesti sovellettuihin tarkoituksiin (esimerkiksi tietoliikenteessä). USP-laserin pääosa, kuten mikä tahansa muu, on kuitenkin resonaattori aktiivisella väliaineella. Toisin kuin muut laserit, aktiivisella väliaineella on oltava riittävä vahvistus laajalla spektrialueella. Kolmannen sukupolven lasereille on ominaista kaksiontelokaavio:
yksi 2 3 neljä 5 6 7 kahdeksan 9 kymmenen yksitoista 12
Yllä oleva kuva esittää tyypillistä kolmannen sukupolven lasermallia, Ti:safiirilaseria, jossa on passiivinen tilan lukitus Kerr-linssin ansiosta. Alla on kaavio tästä laserista (elementtien numerointi on sama). Tämä malli asennettiin Kazanin fysikaalis-teknisen instituutin molekyylivalokemian laboratorioon, joka on nimetty V.I. E. K. Zavoisky . Tätä asetusta käytettiin USP-pulssien sekvenssien saamiseksi, jonka kesto oli 50–60 fs ja toistotaajuus 80 MHz, pulssikeskuksen alueella 780–800 nm ja puolileveyden noin 20 nm. Tämän tyyppisissä asennuksissa ulkomailla[ missä? ] laboratoriot vastaanottivat pulsseja, joiden kesto oli enintään 5,4 fs (alle kaksi valoaallon jaksoa).
Tämä kuva näyttää kaikki USP-laserin pääelementit:
Kaaviossa näkyvät laserin kaikki pääelementit, muodostunut säde (kirkas punainen) ja heikompi (tummanpunainen), joka osallistuu ultralyhyiden pulssien muodostukseen, prisma-DHS-kompensaattori, kalvo aallonpituuden viritykseen, sisäinen ja ulkoinen resonaattori, pumppaus (vihreä) .
On huomattava, että kaikki epälineaarisessa optiikassa käytettävä optiikka on välttämättä pinnoitettu. Ja tavallisten metallipeilien sijasta käytetään dielektrisiä. Lisäksi lyhyempien pulssien saavuttamiseksi erityisiä ns. "siirretyt" peilit .
LaserleikkausEnsin pumppulaser kytketään päälle ja tehoa lisätään sukupolven kynnykseen (tarkemmin sanottuna hieman ensimmäisen kynnyksen yläpuolelle, mutta USP-sukupolvea ei vielä ole). Tarvittaessa peilejä säädetään lasersäteilyn maksimivoimakkuuden saavuttamiseksi. Jos viritys suoritettiin aallonpituudella, tämä on pakollinen toimenpide. USP:iden luomisen aloittamiseksi tarvitaan pieni painallus prisman 8 tai 9 pohjaa, jotta saadaan aikaan joitain vaihtelupiikkejä. Näiden vaihteluhuippujen kesto alkuvaiheessa on kääntäen verrannollinen vahvistusviivan leveyteen (joka on yleensä 10–13 s). Tuhannen - kahden tuhannen kulun jälkeen kesto kasvaa yleensä 10-11 sekuntiin vahvistuslinjan keskellä sijaitsevien moodien suuremman vahvistuksen vuoksi, mutta 1-2000 läpikulun jälkeen suurin vaihteluaalto saavuttaa tällaisen intensiteetin. että epälineaarisilla vaikutuksilla on merkittävä rooli sen käyttäytymisessä, nimittäin taitekertoimen muutoksissa ja itsefokusoitumisessa Ti:safiirikiteessä. Itsetarkennuksesta (Epälineaarinen Kerr-ilmiö ) johtuen tämä vaihteluaalto aiheuttaa vähemmän häviötä sisäisessä resonaattorissa (koska se on paremmin fokusoitu)
, joten se vahvistaa paremmin kuin muut, ja (suhteellisen) korkean intensiteetin vuoksi se vähentää populaation inversiota ja vähemmän voimakkaat päästöt jäävät vahvistuskynnyksen alapuolelle. Kun melkein muodostuneen USP-pulssin intensiteetti saavuttaa sellaisen arvon, että suurin osa populaation inversiosta poistuu tämän pulssin kulkiessa vahvistimen läpi, laser siirtyy vakaaseen monopulssitoimintatilaan (eli pulssissa voi olla vain yksi pulssi). resonaattori kerrallaan), mikä vastaa noin 100 MHz:n pulssien taajuustoistoa (ulkoisen resonaattorin (kuvassa peilit numeroitu 11-12) pituudella noin 1 metri).
On huomattava, että DGS:n prismakompensaattorilla (8–9) on tärkeä rooli tässä suunnittelussa. Kun pulssi etenee väliaineen läpi, se kokee vääristymiä, jotka johtuvat siitä, että dispersio (taitekerroin) on erilainen eri aallonpituuksilla (tätä kutsutaan ryhmänopeusdispersioksi tai toisen asteen dispersioksi). Pulssin intensiteetti on niin suuri, että väliaineen läpi eteneessään kolmannen ja joskus jopa korkeamman asteen dispersiolla alkaa olla merkitystä. Näiden vääristymien korjaamiseksi (jotta pulssi ei "sumennu" ajoissa, tai toisin sanoen "sirkutuksen" kompensoimiseksi) asennetaan joko erityinen kompensaattori (pari diffraktiohilaa tai prismaa) tai erityinen "siirutetaan". ” käytetään peilejä.
DGS-kompensaattori toimii seuraavasti. Prisman 8 jälkeinen pulssi hajoaa spektriksi. Prisman 9 jälkeen yhdensuuntainen valonsäde ("punainen" säde lähempänä havainnoijaa) kulkee kalvon 10 läpi ja heijastuu kuurosta peilistä 11. Vastakkaiseen suuntaan jo kompensoitu (optisen polun pituuden vuoksi) pulssi lähtee. prisma 8. Siirtämällä kalvoa ja muuttamalla sen leveyttä voit säätää aallonpituutta ja pulssin kestoa vastaavasti. Spektrin leveyden muutos vastaa keston muutosta, koska tällaisessa laserissa pulssi on spektrisesti rajoitettu, eli sellainen, jossa puolileveys on kääntäen verrannollinen kestoon.
Pulssin kesto riippuu voimakkaasti Ti:safiirikiteen paksuudesta - mitä ohuempi kide, sitä lyhyempi pulssi. DGS-kompensaattorilla on myös merkittävä rooli: jos pulssia sirutetaan (eli kantoaaltotaajuus muuttuu pulssin keston aikana), sen kesto on pidempi. Laserin toimintaan vaikuttavat merkittävästi myös laserin viritys (elementtien asennon säätö), pumppulaserin vakaus ja sen parametrit (pääasiassa teho). Suurin ongelma, jonka kanssa joudut jatkuvasti taistelemaan tällaisessa lasersuunnittelussa, on lämpöepävakaus. Jos pumppulaseria ja aktiivista väliainetta stabiloi jäähdytysjärjestelmä (juokseva vesi), itse resonaattoria on melko vaikea stabiloida - lämpötilasta riippuen resonaattorin optinen pituus muuttuu ja laser on viritettävä uudelleen. . Sukupolven menettämiseksi pienet vaihtelut riittävät - voit yksinkertaisesti "puhaltaa" pulssit puhaltamatta kovin voimakkaasti resonaattoriin.
Epälineaarisessa optiikassa käytetään yleensä dielektrisiä peilejä. Nämä ovat peilejä, jotka saadaan kerrostamalla useita eristemateriaalien kerroksia, joilla on tietty taitekerroin ja kerrospaksuus. Tällainen peili heijastaa valoa paljon paremmin kuin metalli. Tällaisilla peileillä on kuitenkin haittoja. Tyypillisesti dielektrinen peili on suunniteltu siten, että suurin heijastuskyky on kapealla spektrialueella ja kapealla tulokulma-alueella. Muilla spektrin ja tulokulmien alueilla tällainen peili heijastaa paljon huonommin.
Avain viritykseen ja viritykseen aallonpituudella ovat peilin 6, kalvon ja prismojen sijainnit. Laser viritetään tuottamaan femtosekuntia pulsseja siirtämällä peiliä 6. Prismojen 8 ja 7 asentoa muutetaan tarpeen mukaan. Aallonpituus viritetään liikuttamalla kalvoa.
Ultralyhyiden pulssien vahvistamiseen käytetään erityistä tekniikkaa nimeltä Chirped Pulse Amplification. Koska ultralyhyen pulssin suuri vahvistus johtaa optisten elementtien vaurioitumiseen, pulssi "venytetään" ajoissa ennen vahvistusta ja "kompressoidaan" vahvistuksen jälkeen. Terawatti- ja petawattilasereissa lasersäteen halkaisijaa kasvatetaan vahvistuksen aikana kaukoputken avulla (esimerkiksi käyttämällä kahta suurennuslinssiä, joista toinen on tarkennettu).
Pulssin "venyttämiseksi" ajassa käytetään kahden diffraktiohilan rakennetta, joka tuottaa sellaisen vaihemodulaation (chirp), että pulssin kesto kasvaa kertoimella 10 tai enemmän.
Kun laserpulssien kesto on alle 10–12 s, perinteiset optoelektroniset (esim. fotodiodisignaalin tallennus oskilloskoopilla) tallennusmenetelmät eivät enää sovellu. Siksi femtosekuntien pulssien rekisteröintiin käytetään optisia menetelmiä, kuten autokorrelaatiota, toista harmonista generointia jne. Viime vuosikymmenen aikana menetelmiä, kuten FROG ( Frequency-Resolved Optical Gating ) ja SPIDER ( spektraalinen vaiheinterferometria suoraa sähkökentän rekonstruktiota varten )).
Q-kytketty laser, jossa on onkalonsisäinen valkaisukykyinen absorboija.
Värityslaserit (käyttäen valkaisevaa absorboijaa ja rengasresonaattoria )
Laserit vibronisilla kiteillä Kerr-linssillä.
Diodipumpatut kuitulaserit .
aaltoputkilaserit.