Ultrakorte ( ekstremt korte ) pulslasere , USP-lasere (PKI), femtosekundlasere er optiske kvantegeneratorer, der er i stand til at generere laserstrålingsimpulser, der indeholder et ret lille antal optiske feltoscillationer.
I det generelle tilfælde kan pulser kortere end 100 picosekunder kaldes ultrakorte laserimpulser. Men med henblik på at skabe nye lasersystemer er forskning inden for dannelse af pulser kortere end 1 picosekund relevant, da en impulsvarighed i størrelsesordenen 50 picosekunder allerede kan opnås ved brug af relativt billige systemer baseret på laserdioder .
Eksisterende ultrakorte pulslasere har nået varigheder i størrelsesordenen 5 femtosekunder. Der er rapporter om oprettelsen af eksperimentelle systemer med en attosekunds pulsvarighed.
Karaktertræk:
Driftsprincippet for USP-lasere er baseret på tilstandslåsning i et laserhulrum . Der er to mulige scenarier for USP-generering. I en version starter generering med det samme i alle tilstande med en tilfældig fase og intensitet, og så sker der dropout, som et resultat af hvilket alle tilstande bliver stift koblede (kun tilstande med bestemte frekvenser og intensiteter forbliver i resonatoren), så kun én puls forbliver i resonatoren med meget kort varighed. Den anden mulighed er, at generering starter ved én tilstand, men så, som et resultat af intermode interaktion, bliver generering også exciteret ved andre tilstande med den nødvendige faseforskel og relative intensitet, som et resultat af hvilket billedet bliver nøjagtigt det samme som i det første tilfælde. Pulsformning sker normalt i 10 resonatorpassager. I yderligere 10-20 gennemløb foregår processen med afkortning og forstærkning af pulserne, og til sidst opnås stabile USP'er. I processen med pulsforkortelse og forstærkning er ikke-lineære processer af stor betydning. Således bliver forkanten stejlere efter at have passeret gennem en blegelig absorber (eller som følge af selvfokusering (Kerr-linse) i det aktive medium og adskillelse af kun den "intense" del af pulsen). Bagkanten forkortes som følge af, at populationsinversionen ikke når at komme sig, mens pulsen passerer gennem det aktive medie. For at processerne med forstærkning og afkortning af pulsen skal være mest effektive, er det nødvendigt at vælge det aktive medie så tyndt som muligt, og pumpeeffekten skal være større (men ikke at gå ud over grænserne for stabil pulsgenerering).
Der er aktiv og passiv tilstandslåsning. Så ved aktiv tilstandslåsning kræves der en speciel enhed, der direkte låser tilstandene (synkron pumpning, eller en speciel modulator i Q-switched mode - Q-modulation), mens dette ved passiv låsning sker automatisk pga. designfunktioner. Lasere med aktiv synkronisering bruges praktisk talt ikke i dag på grund af kompleksiteten i at fremstille synkroniseringsenheder. Passiv-låste lasere har to lasertærskler. Den første er ganske almindelig; når pumpning overstiger den første tærskel, fungerer USP-laseren som en konventionel tunbar laser. Når pumpeeffekten af den anden tærskel overskrides, skabes gunstige betingelser for dannelsen af USP'er, men for at starte genereringen kan der være behov for yderligere handling, for eksempel en hurtig bevægelse eller et tryk på GVD-kompensatoren (Group Velocity Dispersion) ), normalt er dette nødvendigt for udseendet af et støjudbrud, hvorfra USP-sekvensen vil udvikle sig yderligere.
De mest populære i dag lasere baseret på titanium-safir med en Kerr-linse (3. generation) og fiberlasere med diodepumpning ( 4. generation). De første bruges hovedsageligt i laboratorieforhold og giver dig mulighed for at få en stor pulsenergi; den anden, mere kompakt og økonomisk, bruges aktivt til anvendte formål (for eksempel i telekommunikation). Hoveddelen af USP-laseren er dog, som enhver anden, en resonator med et aktivt medium. I modsætning til andre lasere skal det aktive medium have tilstrækkelig forstærkning i et bredt spektralområde. Tredje generation af lasere er karakteriseret ved et to-hulrumsskema:
en 2 3 fire 5 6 7 otte 9 ti elleve 12
Figuren ovenfor viser et typisk tredje generations laserdesign, en Ti:sapphire laser med passiv tilstandslåsning på grund af en Kerr linse. Nedenfor er et diagram af denne laser (nummereringen af elementerne er den samme). Dette design blev installeret i Laboratory of Molecular Photo Chemistry ved Kazan Physical-Technical Institute opkaldt efter V.I. E. K. Zavoisky . Denne opsætning blev brugt til at opnå sekvenser af USP-impulser med en varighed på 50-60 fs og en gentagelseshastighed på 80 MHz, med et pulscenter i området 780-800 nm og en halv bredde på omkring 20 nm. Ved installationer af denne type i udenlandsk[ hvor? ] laboratorier modtog impulser med en varighed på op til 5,4 fs (mindre end to perioder med en lysbølge).
Dette billede viser alle hovedelementerne i USP-laseren:
Diagrammet viser alle laserens hovedelementer, den dannede stråle (lyserød) og en svagere (mørkerød), der er involveret i dannelsen af ultrakorte impulser, en prisme DHS-kompensator, en membran til bølgelængdejustering, en intern og ekstern resonator, pumpende (grøn) .
Det skal bemærkes, at al optik, der bruges i ikke-lineær optik, nødvendigvis er belagt. Og i stedet for almindelige metalspejle bruges dielektriske. Derudover for at opnå kortere pulser, specielle, såkaldte. "kvidrede" spejle .
LaseroperationFørst tændes pumpelaseren , og effekten øges til generationstærsklen (mere præcist lidt over den første tærskel, men der er endnu ingen USP-generering). Om nødvendigt justeres spejlene for at opnå den maksimale intensitet af laserstrålingen. Hvis tuning blev udført langs bølgelængden, er dette en obligatorisk procedure. For at starte genereringen af USP'er er et lille tryk på bunden af prisme 8 eller 9 nødvendigt for at skabe nogle fluktuationsspidser. Varigheden af disse fluktuationstoppe i den indledende fase er omvendt proportional med bredden af forstærkningslinjen (som normalt ligger i området 10-13 s). Efter 1-2.000 gennemløb øges varigheden normalt til 10-11 s. på grund af den større forstærkning af tilstandene, der er placeret i midten af forstærkningslinjen, men efter 1-2.000 gennemløb når den største fluktuationsstigning en sådan intensitet at ikke-lineære effekter spiller en væsentlig rolle i dens adfærd, nemlig ændring i brydningsindekset og selvfokusering i en Ti:safirkrystal. På grund af selvfokusering (ikke-lineær Kerr-effekt ) oplever denne fluktuationsstigning mindre tab i den interne resonator (fordi den er bedre fokuseret)
, således forstærker den bedre end andre, og på grund af dens (relativt) høje intensitet, reducerer den populationsinversionen, og mindre intense emissioner er under forstærkningstærsklen. Når intensiteten af en næsten dannet USP-impuls når en sådan værdi, at det meste af populationsinversionen fjernes under passagen af denne impuls gennem forstærkeren, går laseren ind i en stabil monopuls-driftstilstand (dvs. kun én impuls kan være i resonator ad gangen), hvilket svarer til frekvensgentagelsen af impulser på omkring 100 MHz (med længden af den eksterne resonator (spejle nummereret 11-12 på fotografiet) omkring 1 meter).
Det skal bemærkes, at DGS prismekompensatoren (8-9) spiller en vigtig rolle i dette design. Når en puls forplanter sig gennem et medie, oplever den forvrængninger på grund af det faktum, at spredningen (brydningsindekset) er forskellig for forskellige bølgelængder (dette kaldes Group Velocity Dispersion eller andenordens dispersion). Intensiteten af pulsen er så stor, at når den udbredes gennem mediet, begynder spredning af den tredje og nogle gange endda højere orden at spille en rolle. For at korrigere disse forvrængninger (så pulsen ikke "sløres" i tide, eller med andre ord, for at kompensere for "kvidret"), installeres enten en speciel kompensator (et par diffraktionsgitre eller prismer) eller en speciel "kvidrende" ” spejle bruges.
DGS-kompensatoren fungerer som følger. Impulsen efter prisme 8 dekomponeres i et spektrum. Efter prisme 9 passerer en parallel lysstråle ("rød" stråle tættere på iagttageren) gennem membran 10 og reflekteres fra et døvspejl 11. I den modsatte retning forlader en allerede kompenseret (på grund af forskellig optisk vejlængde) puls. prisme 8. Ved at flytte membranen og ændre dens bredde kan du justere henholdsvis bølgelængden og pulsvarigheden. En ændring i bredden af spektret svarer til en ændring i varighed, da pulsen i en sådan laser er spektralt begrænset, det vil sige en, hvor halvbredden er omvendt proportional med varigheden.
Pulsvarigheden afhænger stærkt af tykkelsen af Ti:safirkrystallen - jo tyndere krystallen er, desto kortere er pulsen. DGS-kompensatoren spiller også en væsentlig rolle: hvis pulsen chirpes (det vil sige, at bærefrekvensen ændres under pulsens varighed), så vil dens varighed være længere. Driften af laseren er også væsentligt påvirket af tuning (justering af elementernes position) af laseren, stabiliteten af pumpelaseren og dens parametre (hovedsagelig effekt). Det største problem, som du konstant skal kæmpe med i et sådant laserdesign, er termisk ustabilitet. Hvis pumpelaseren og det aktive medium stabiliseres af et kølesystem (rindende vand), så er det ret svært at stabilisere selve resonatoren - afhængig af temperaturen ændres den optiske længde af resonatoren, og laseren skal tunes igen . For at miste generation er små udsving nok - du kan simpelthen "blæse" pulserne uden at blæse meget kraftigt på resonatoren.
I ikke-lineær optik bruges dielektriske spejle normalt. Disse er spejle, der opnås ved aflejring af flere lag af dielektriske materialer med et givet brydningsindeks og lagtykkelse. Sådan et spejl reflekterer lys meget bedre end et metal. Sådanne spejle har dog ulemper. Typisk er et dielektrisk spejl designet således, at den maksimale reflektans er for et snævert spektralområde og for et snævert område af indfaldsvinkler. I andre områder af spektret og indfaldsvinklerne reflekterer et sådant spejl meget værre.
Nøglen til tuning og tuning langs bølgelængden er positionerne af spejlet 6, membran og prismer. Laseren indstilles til at generere femtosekund-impulser ved at bevæge spejlet 6. Positionen af prismerne 8 og 7 ændres efter behov. Bølgelængden afstemmes ved at bevæge membranen.
For at forstærke ultrakorte pulser bruges en speciel teknik kaldet Chirped Pulse Amplification. Da en stor forstærkning af en ultrakort puls vil føre til beskadigelse af de optiske elementer, "straktes" pulsen i tid før forstærkning, og "komprimeres" efter forstærkning. For terawatt- og petawatt-lasere øges laserstrålen i diameter under forstærkning ved hjælp af et teleskop (for eksempel ved at bruge to forstørrelseslinser, den ene i fokus for den anden).
For at "strække" pulsen i tid anvendes et design af to diffraktionsgitre, som frembringer en sådan fasemodulation (chirp), at pulsvarigheden øges med en faktor 10 eller mere.
Når varigheden af laserimpulser er mindre end 10-12 s, er konventionelle optoelektroniske (for eksempel optagelse af et fotodiodesignal med et oscilloskop) optagelsesmetoder ikke længere egnede. Til at registrere femtosekundpulser anvendes derfor optiske metoder, såsom autokorrelation, anden harmonisk generation osv. I det sidste årti har metoder som FROG ( Frequency-Resolved Optical Gating ) og SPIDER ( Spectral phase interferometry for direct electric-field reconstruction) anvendt).
Q-switched laser med en intrakavitet bleget absorber.
Farvelasere (ved hjælp af en blegebar absorber og ringresonator )
Lasere på vibronic krystaller med en Kerr linse.
Diodepumpede fiberlasere .
bølgelederlasere.