Ultrakorta ( extremt korta ) pulslasrar , USP-lasrar (PKI), femtosekundlasrar är optiska kvantgeneratorer som kan generera laserstrålningspulser som innehåller ett ganska litet antal optiska fältsvängningar.
I det allmänna fallet kan pulser kortare än 100 pikosekunder kallas ultrakorta laserpulser. Men ur synvinkeln av att skapa nya lasersystem är forskning inom området för att skapa pulser kortare än 1 pikosekund relevant, eftersom en pulslängd i storleksordningen 50 pikosekunder redan kan uppnås med relativt billiga system baserade på laserdioder .
Befintliga ultrakorta pulslasrar har nått varaktigheter i storleksordningen 5 femtosekunder. Det finns rapporter om skapandet av experimentella system med en attosekunds pulslängd.
Karaktärsdrag:
Funktionsprincipen för USP-lasrar är baserad på lägeslåsning i en laserkavitet . Det finns två möjliga scenarier för USP-generering. I en version startar genereringen omedelbart i alla lägen med en slumpmässig fas och intensitet, och sedan uppstår bortfall, som ett resultat av vilket alla lägen blir stelkopplade (endast lägen med vissa frekvenser och intensiteter kvar i resonatorn), så endast en puls förblir i resonatorn med mycket kort varaktighet. Det andra alternativet är att generering startar i ett läge, men sedan, som ett resultat av intermodsinteraktion, exciteras generering även vid andra lägen med den erforderliga fasskillnaden och relativa intensiteten, vilket resulterar i att bilden blir exakt densamma som i det första fallet. Pulsformning sker vanligtvis i 10 resonatorpassager. I ytterligare 10–20 omgångar sker processen med förkortning och förstärkning av pulserna och slutligen erhålls stabila USP:er. I processen med pulsförkortning och förstärkning är olinjära processer av stor betydelse. Således blir framkanten brantare efter att ha passerat genom en blekbar absorbator (eller som ett resultat av självfokusering (Kerr-lins) i det aktiva mediet och separation av endast den "intensiva" delen av pulsen). Bakkanten förkortas till följd av att populationsinversionen inte hinner återhämta sig medan pulsen passerar genom det aktiva mediet. För att processerna för förstärkning och förkortning av pulsen ska vara mest effektiva är det nödvändigt att välja det aktiva mediet så tunt som möjligt, och pumpeffekten ska vara större (men inte överskrida gränserna för stabil pulsgenerering).
Det finns aktiv och passiv låsning. Så vid aktiv lägeslåsning krävs en speciell anordning som direkt låser lägena (synkron pumpning, eller en speciell modulator i Q-switched mode - Q-modulation), medan det vid passiv låsning sker automatiskt p.g.a. design egenskaper. Lasrar med aktiv synkronisering används praktiskt taget inte idag på grund av komplexiteten i att tillverka synkroniseringsenheter. Passivlåsta lasrar har två lasrtrösklar. Den första är ganska vanlig, när pumpningen överskrider den första tröskeln fungerar USP-lasern som en konventionell avstämbar laser. När pumpeffekten för den andra tröskeln överskrids skapas gynnsamma förhållanden för bildandet av USP, men för att starta genereringen kan ytterligare åtgärder krävas, till exempel en snabb rörelse eller en tryckning av GVD-kompensatorn (Group Velocity Dispersion) ), vanligtvis är detta nödvändigt för uppkomsten av en brusskur, från vilken USP-sekvensen kommer att utvecklas vidare.
De mest populära idag lasrarna baserade på titan-safir med Kerr-lins (3:e generationen) och fiberlasrar med diodpumpning ( 4:e generationen). De första används främst i laboratorieförhållanden och låter dig få en stor pulsenergi; den andra, mer kompakt och ekonomisk, används aktivt för tillämpade ändamål (till exempel inom telekommunikation). Huvuddelen av USP-lasern är dock, precis som alla andra, en resonator med ett aktivt medium. Till skillnad från andra lasrar måste det aktiva mediet ha tillräcklig förstärkning i ett brett spektralområde. Den tredje generationens lasrar kännetecknas av ett tvåkavitetsschema:
ett 2 3 fyra 5 6 7 åtta 9 tio elva 12
Figuren ovan visar en typisk tredje generationens laserdesign, en Ti:sapphire-laser med passiv lägeslåsning på grund av en Kerr-lins. Nedan är ett diagram över denna laser (numreringen av elementen är densamma). Denna design installerades i Laboratory of Molecular Photo Chemistry vid Kazan Physical-Technical Institute uppkallad efter V.I. E. K. Zavoisky . Denna inställning användes för att erhålla sekvenser av USP-pulser med en varaktighet på 50–60 fs och en repetitionshastighet på 80 MHz, med ett pulscentrum i intervallet 780–800 nm och en halvbredd på cirka 20 nm. Vid installationer av denna typ i utländska[ var? ] laboratorier tog emot pulser med en varaktighet på upp till 5,4 fs (mindre än två perioder av en ljusvåg).
Detta foto visar alla huvudelementen i USP-lasern:
Diagrammet visar alla huvudelementen i lasern, den bildade strålen (ljusröd) och en svagare (mörkröd) som är involverad i bildandet av ultrakorta pulser, en prisma DHS-kompensator, ett membran för våglängdsinställning, en intern och extern resonator, pumpande (grön) .
Det bör noteras att all optik som används i olinjär optik nödvändigtvis är belagd. Och istället för vanliga metallspeglar används dielektriska. Dessutom för att uppnå kortare pulser, speciella, sk. "kvittrade" speglar .
LaseroperationFörst slås pumplasern på och effekten ökas till genereringströskeln (mer exakt, något över den första tröskeln, men det finns ingen USP-generering ännu). Vid behov justeras speglarna för att erhålla maximal intensitet av laserstrålningen. Om inställningen utfördes längs våglängden, är detta ett obligatoriskt förfarande. För att starta genereringen av USP:er är ett litet tryck på basen av prismat 8 eller 9 nödvändigt för att skapa några fluktuationsspikar. Varaktigheten av dessa fluktuationstoppar i det inledande skedet är omvänt proportionell mot förstärkningslinjens bredd (som vanligtvis ligger i området 10–13 s). Efter ett till två tusen pass ökar varaktigheten vanligtvis till 10–11 s på grund av den större förstärkningen av lägena som är placerade i mitten av förstärkningslinjen, men efter ett till två tusen pass når den största fluktuationsvågen en sådan intensitet att olinjära effekter spelar en betydande roll i dess beteende, nämligen förändring av brytningsindex och självfokusering i en Ti:safirkristall. På grund av självfokusering (icke-linjär Kerr-effekt ) upplever denna fluktuationsvåg mindre förlust i den inre resonatorn (eftersom den är bättre fokuserad)
, sålunda förstärker den bättre än andra, och på grund av dess (relativt) höga intensitet, minskar den populationsinversionen, och mindre intensiva utsläpp ligger under förstärkningströskeln. När intensiteten hos en nästan bildad USP-puls når ett sådant värde att det mesta av populationsinversionen avlägsnas under passagen av denna puls genom förstärkaren, går lasern in i ett stabilt monopulsläge (dvs. endast en puls kan vara i resonator åt gången), vilket motsvarar frekvensupprepningen av pulser på cirka 100 MHz (med längden på den externa resonatorn (speglarna numrerade 11-12 på fotografiet) cirka 1 meter).
Det bör noteras att DGS prismakompensator (8–9) spelar en viktig roll i denna design. När en puls fortplantar sig genom ett medium upplever den förvrängningar på grund av att dispersionen (brytningsindex) är olika för olika våglängder (detta kallas Group Velocity Dispersion eller andra ordningens dispersion). Pulsens intensitet är så stor att, när den fortplantar sig genom mediet, börjar spridningen av den tredje och ibland även högre ordningen att spela en roll. För att korrigera dessa förvrängningar (så att pulsen inte "suddar ut" i tid, eller med andra ord, för att kompensera för "chirp"), installeras antingen en speciell kompensator (ett par diffraktionsgitter eller prismor) eller speciellt "chirped" ” speglar används.
DGS-kompensatorn fungerar enligt följande. Pulsen efter prismat 8 sönderdelas till ett spektrum. Efter prisma 9 passerar en parallell ljusstråle (”röd” stråle närmare observatören) genom membranet 10 och reflekteras från en dövspegel 11. I motsatt riktning lämnar en redan kompenserad (på grund av olika optisk väglängd) puls. prisma 8. Genom att flytta diafragman och ändra dess bredd kan du justera våglängden respektive pulslängden. En förändring i spektrumets bredd motsvarar en förändring i varaktigheten, eftersom pulsen i en sådan laser är spektralt begränsad, det vill säga en där halvbredden är omvänt proportionell mot varaktigheten.
Pulslängden beror starkt på tjockleken på Ti:safirkristallen - ju tunnare kristallen är, desto kortare puls. DGS-kompensatorn spelar också en betydande roll: om pulsen kvitteras (det vill säga bärfrekvensen ändras under pulsens varaktighet), kommer dess varaktighet att bli längre. Laserns funktion påverkas också avsevärt av inställningen (justering av elementens position) av lasern, stabiliteten hos pumplasern och dess parametrar (främst kraft). Huvudproblemet som du ständigt måste kämpa med i en sådan laserdesign är termisk instabilitet. Om pumplasern och det aktiva mediet stabiliseras av ett kylsystem (rinnande vatten), är det ganska svårt att stabilisera själva resonatorn - beroende på temperaturen ändras den optiska längden på resonatorn, och lasern måste ställas in igen . För att tappa generationen räcker det med små fluktuationer - du kan helt enkelt "blåsa av" pulserna utan att blåsa mycket kraftigt på resonatorn.
I olinjär optik används vanligtvis dielektriska speglar. Dessa är speglar som erhålls genom avsättning av flera lager av dielektriska material med ett givet brytningsindex och lagertjocklek. En sådan spegel reflekterar ljus mycket bättre än en metall. Sådana speglar har dock nackdelar. Typiskt är en dielektrisk spegel utformad så att den maximala reflektansen är för ett smalt spektralområde och för ett smalt område av infallsvinklar. I andra områden av spektrum och infallsvinklar reflekterar en sådan spegel mycket sämre.
Nyckeln för inställning och avstämning längs våglängden är positionerna för spegeln 6, membranet och prismorna. Lasern ställs in för att generera femtosekundpulser genom att flytta spegeln 6. Prismornas 8 och 7 läge ändras vid behov. Våglängden ställs in genom att membranet flyttas.
För att förstärka ultrakorta pulser används en speciell teknik som kallas Chirped Pulse Amplification. Eftersom en stor förstärkning av en ultrakort puls kommer att leda till skador på de optiska elementen, "sträcks" pulsen ut i tid före förstärkning och "komprimeras" efter förstärkning. För terawatt- och petawattlasrar, under förstärkning, ökas laserstrålen i diameter med hjälp av ett teleskop (till exempel med två förstoringslinser, den ena i fokus för den andra).
För att "sträcka ut" pulsen i tid används en utformning av två diffraktionsgitter, som ger en sådan fasmodulering (chirp) att pulslängden ökar med en faktor 10 eller mer.
När laserpulsernas varaktighet är mindre än 10–12 s, är konventionella optoelektroniska (till exempel inspelning av en fotodiodsignal med ett oscilloskop) inte längre lämpliga. För att registrera femtosekundpulser används därför optiska metoder, såsom autokorrelation, generering av andra övertoner etc. Under det senaste decenniet har metoder som FROG ( Frequency-Resolved Optical Gating ) och SPIDER ( Spectral phase interferometry for direct electric-field reconstruction ) använts.).
Q-switched laser med en intrakavitet blekbar absorbator.
Färglasrar (med en blekbar absorbator och ringresonator )
Lasrar på vibronic kristaller med en Kerr lins.
Diodpumpade fiberlasrar .
vågledarlasrar.