Лазеры ультракоротких импульсов

Министерство образования Республики Беларусь

      УО «МГУ им. А. А. Кулешова» Кафедра экспериментальной физики

Реферат

_{по теме:}

 
Лазеры ультракоротких импульсов

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Выполнил:

студент 5-го курса, физико-математического факультета Святкин В. В.

  Руководитель:

Лебедев В. И. 
 
 
 
 
 

Могилев 2009

Содержание:

Введение 3

Глава 1. Лазеры ультракоротких импульсов 4

1. Общие сведения 4
2. Характерные черты 4

Глава 2. Импульсные лазеры  5

2.1 Импульсные  лазеры 5

Применение 10

Литература 11

Введение

Быстрее развитие лазерной физики началось после создания рубинового

лазера  Майманом [1]. Лазер - это источник света. В словарях и справочниках обычно расшифровывают английскую аббревиатуру LASER (Light Amplfication by Stimulated of Radiation) и поясняют, что лазер генерирует луч с высокой когерентностью, направленностью и плотностью энергии. Лазер - это устройство, преобразующее различные виды энергии в энергию когерентного электромагнитного излучения оптического диапазона [2]. Лазер- это устройство, производящее интенсивный, чисто монохроматический луч [3]. Все эти определения верны лишь частично, отражая отдельные свойства излучения лазеров разных типов. Излучение самых распространенных - полупроводниковых - лазеров не обладает ни одним из перечисленных выше свойств. Луч такого лазера сильно расходящийся, а излучаемый им свет не отличается ни высокой когерентностью, ни монохроматичностью.

  В последние 20 лет произошла революция  в создании лазеров, генерирующих ультракороткие фемтосекундные импульсы. Интенсивность излучения в ультракоротком импульсе действительно может быть высокой, однако нельзя говорить, что такое излучение когерентно. Отдельный, предельно короткий лазерный импульс содержит всего несколько периодов колебаний электромагнитного поля, а его спектр занимает примерно четверть всего видимого диапазона света. Однако лазер, работающий в таком режиме, всегда генерирует не одиночный, а регулярную, строго периодическую последовательность когерентных, имеющих общую несущую частоту ультракоротких импульсов. Частота этой несущей действительно монохроматична и реально существует, так как может быть непосредственно зарегистрирована интерферометром Майкельсона.

  Поэтому корректнее дать более общее определение  лазера как устройства, генерирующего упорядоченные во времени и пространстве световые волны за счет вынужденных переходов в активной среде.

  В упорядоченности электромагнитных колебаний лазерного света и  заключается его принципиальное отличие от хаотического, шумового излучения нагретых тел.

  В начале лазерной эры важнейшими задачами считали получение непрерывного предельно стабильного и монохроматического излучения, которое можно использовать как эталон длины и времени. [15] 
 
 
 

Глава 1. Лазеры ультракоротких импульсов

1.1 Общие сведения

   На  сегодняшний день более актуальным направлением лазерной физики обоснованно считают исследования, связанные с ультракороткими фем-тосекундными импульсами. Ультракороткие лазерные импульсы позволили приступить к освоению новых пико- и фемтосекундных временных диапазонов и изучению ранее недоступных для исследования быстро протекающих процессов в химии, биологии, электронике.

   Фемтосекундный  импульс даже сравнительно небольшой  энергии ~ 1 Дж обладает мощностью 10 в 15-ой степени Вт. С этим связано другое принципиальное достижение лазерной физики - петаваттные лазеры, дающие возможность сконцентрировать указанную мощность в малом объеме и создающие электромагнитные поля с напряженностями, превышающими внутриатомные. Это означает, что оптика начинает вторгаться в область ядерных процессов и явлений. С лазерами связывают основные надежды на решение самой трудной технической задачи, стоящей перед человечеством, — освоение реакции управляемого термоядерного синтеза.

  Лазер, генерирующий ультракороткие импульсы, концентрирует в них энергию излучения. Поэтому пиковая мощность излучения лазера возрастает в тысячи раз. Это позволяет использовать сравнительно маломощные квазинепрерывные лазеры со средней выходной мощностью в десятки милливатт для многочисленных технологических применений.

  Удовлетворительная  теория лазеров ультракоротких импульсов пока отсутствует. Более того, общеприняты некорректные представления о процессах генерации в таких лазерах, приводящие к парадоксам и основанные на непригодных в данном случае понятиях классической оптики и люминесценции. [15]

1.2 Основные характеристики лазеров УКИ следующие:

1. малая длительность импульса (вектор электрической индукции 
   успевает мзменить своё значение всего несколько раз за время 
   длительности импульса)
2. высокая средняя интенсивность во время действия импульса (за счёт 
   малой длительности).
3. широкий спкетр излучения (от единиц до сотен нанометров)
4. высокая временная когерентность (последовательности импульсов)
5. пространственная когерентность

Глава 2. Импульсные лазеры Импульсные лазеры

  Пички свободной генерации первого  рубинового лазера длительностью порядка микросекунды не представляли интереса для применений. Способ генерирования лазером одиночного мощного наносекундного импульса впервые предложил Хеллварсом [4]. Метод модуляции добротности резонатора позволил радикально сократить длительность излучения рубинового лазера по сравнению с длительностью импульса накачки. Суть метода заключается в искусственном увеличении потерь резонатора во время действия импульса накачки и максимально быстром уменьшении их в момент окончания этого импульса. При этом энергия, накопленная в активной среде за время импульса накачки, преобразуется в короткий моноимпульс лазерного излучения.

  Такую модуляцию потерь лазерного резонатора осуществляют за счет использования  электрооптического затвора или быстрого вращения зеркала резонатора. Естественно, момент включения затвора или вращение зеркала синхронизируют по времени с окончанием импульса накачки.

  Длительность  лазерных моноимпульсов, которые назвали "гигантскими", составляла десятки наносекунд. Интенсивность излучения в условиях большого превышения усиления активной среды над потерями резонатора экспоненциально нарастает подобно энергии, выделяющейся в цепной реакции, происходящей при атомном взрыве. Пиковая мощность гигантских импульсов может достигать сотен мегаВатт. При этом, чем больше начальное усиление активной среды, тем короче гигантский импульс.

  Гигантские  импульсы сразу же нашли многочисленные применения в военных разработках систем лазерного наведения и светолокации, что обеспечило практически неограниченное финансирование и быстрое развитие этих работ.

  В полупроводниковых лазерах, обладающих резонатором малой длины и  большим усилением, маломощные субнаносекундные импульсы можно получить непосредственно при накачке полупроводниковых лазеров электрическими импульсами малой длительности. Однако дальнейшее продвижение в область еще более коротких пикосекундных импульсов ограничено здесь возможностями электроники по генерированию коротких импульсов тока накачки.

   Исследователи, в начале 60-х годов занимавшиеся импульсными лазерами с модуляцией добротности на рубине и стекле, активированном неодимом, почти сразу же обнаружили существование периодической  временной

модуляции огибающей  гигантских импульсов [5, 6].

     Период  модуляции совпадал со временем обхода светом резонатора. Существование этой модуляции было однозначно связано с присутствием в спектре излучения лазера дискретных частот. Это обстоятельство сразу же нашло "очевидное" (и некорректное) объяснение: модуляция есть результат биений этих дискретных частот - продольных мод лазерного резонатора. Для устранения модуляции огибающей гигантского импульса, которая в задачах светолокации рассматривалась как нежелательное явление, необходимо было обеспечивать одночастотный режим генерации. Обычно нормальные торцы активного стержня и зеркала резонатора, напыленные на плоскопараллельные стеклянные подложки, обеспечивали селекцию мод, достаточною для подавления высокочастотной модуляции, так что специальных мер для получения одночастотного режима генерации обычно не применяли.

  Естественно, сразу же возникла идея использования "биений продольных мод лазерного резонатора" для генерирования сверхкоротких световых импульсов. Режим работы лазера в этом случае назвали синхронизацией мод резонатора.

  На  первых этапах развития методов синхронизации мод лазеров казалось, что в этот режим лазер надо "загонять" насильственными методами.

  Появилось огромное число работ, посвященных  методам синхронизации мод лазеров с помощью установки в лазерный резонатор различных затворов.

  Модуляцию излучения на частоте межмодовых биений электрооптическим затвором назвали активной синхронизацией мод, а использование для получения режима синхронизации мод просветляющегося затвора -пассивной синхронизацией мод [7, 8].

Теоретическим обоснованием необходимости использования методов синхронизации мод служили представления о лазере как о генераторе усиленного шума. Такая модель лазера была принята в статистической оптике, методы которой без должного обоснования переносились в физику лазеров [9]. Очевидно, что для устранения процесса размножения сверхкоротких импульсов внутри лазерного резонатора не должно быть дополнительных отражающих поверхностей, нормальных его оптической оси. Экспериментально такой резонатор реализуют за счет использования активного стержня с брюстеровскими торцами и зеркал, нанесенных на клиновые подложки. Нанесение просветляющих покрытий на нормальные торцы активных стержней не позволяет подавить селекцию мод. Лазерный резонатор настолько чувствителен, что на его спектр оказывает влияние даже 
 

вторая  поверхность "глухого" лазерного  зеркала с коэффициентом отражения  99,8%, нанесенного на плоскопараллельную стеклянную подложку.

  Для получения стабильного воспроизводимого режима работы лазер должен работать на простейшей поперечной моде резонатора. Наличие других поперечных мод существенно усложняет временную картину излучения и приводит к нарушениям периодичности следования сверхкоротких импульсов. Чтобы поперечный размер луча лазера, генерирующего на простейшей поперечной моде, был значительным и превышал ~ 1 мм, активная среда лазера должна быть высоко однородной. Это условие проще обеспечить в активных элементах лазера малой длины. Для выделения единственной поперечной моды в лазерный резонатор иногда устанавливают диафрагму диаметром ~ 1 мм. Чтобы устранить кольцевую пространственную структуру, возникающую в луче лазера в этом случае, диафрагма должна быть аподизированной. В современных лазерах генерацию на простейшей поперечной моде резонатора получают просто фокусировкой однородного луча накачки в область диаметром порядка миллиметра на активном элементе.

  Одиночный ультракороткий импульс может быть выделен из последовательности сверхкоротких импульсов, генерируемых лазером, с помощью электрооптического затвора, который устанавливают на пути луча вне лазера. Для этого время обхода светом резонатора лазера должно составлять порядка 5... 10 наносекунд (соответствующая длина резонатора 0,7 ...1,5 м), чтобы иметь возможность синхронизовать с помощью быстродействующего фотодиода и электронной схемы момент открытия затвора с выделяемым сверхкоротким световым импульсом. Длительность фронтов электрического импульса, управляющего затвором, может составлять несколько наносекунд, что достаточно для выделения одиночного сверхкороткого импульса из последовательности с указанным выше периодом.

   Одиночный субпикосекундный импульс может  быть подвергнут дальнейшему существенному временному сжатию за счет эффектов частотной самомодуляции в дисперсионных элементах или нелинейной среде с последующим пропусканием чирпированного импульса через линейную дисперсионную среду с нужным значением дисперсионного параметра второго порядка.

  Развитие  теории лазеров ультракоротких импульсов  по субъективным причинам с самого начала пошло по ложному пути. Излучение лазера

считали принципиально шумовым, поэтому  предполагалось, что корректное описание лазеров ультракоротких импульсов и их излучения должно строиться на основе статистической оптики. Ряд ошибок и заблуждений в области объяснения наблюдаемых явлений, в технической реализации лазеров ультракоротких импульсов и методах измерения параметров импульсов до сих пор сохраняются в научной литературе. Это и неудивительно - осуществляется прорыв в новую временную область, где длительности импульсных процессов в миллион раз короче доступных исследованиям электронными методами. Некоторые ошибочные и спорные представления о лазерах ультракоротких импульсов и методах синхронизации мод в них до сих пор воспроизводят в научной литературе и учебниках.

  Самое неприятное из нелинейных явлений в  лазере - самофокусировка. Из-за нее пятно генерации вырождается в набор мелких пятен с чрезвычайно высокой плотностью мощности в каждом из них. Поэтому в активном стержне лазера количество микроповреждений увеличивается после каждого импульса накачки. Получить воспроизводимый, устойчивый режим генерации пикосекундных сверхкоротких импульсов в лазерах с ламповой импульсной накачкой можно было лишь при использовании активных стержней с низкой концентрацией активных частиц и выполнении ряда других условий, в частности, при искусственном сужении ширины спектра излучения [12].

  В теоретическом описании работы лазера с пассивной синхронизацией мод, начиная с работ [13], исследователи в основном исходили из ошибочной концепции шумовой флуктуационной природы сверхкоротких импульсов.

  Предполагалось, что поскольку лазерное излучение  возникает из шумового излучения затравочной люминесценции активной среды, то излучение лазера принципиально состоит из хаотической последовательности импульсов со случайными амплитудами. Для подавления флуктуации и выделения одиночного импульса на периоде резонатора в соответствии с этой концепцией обязательным считали применение специальных затворов, т.е. методов активной или пассивной синхронизации мод.

  Прорыв  в фемтосекундную область длительностей  импульсов и получение воспроизводимых ультракоротких импульсов были осуществлены в квазинепрерывных лазерах сверхкоротких  импульсов

следующих поколений. На первом этапе использовали лазеры на органических красителях с активной средой в виде тонкой плоской и однородной струи жидкости. Излучение накачки - луча аргонового лазера -фокусировалось на струю. Пассивную синхронизацию мод резонатора в лазерах на красителях осуществляли просветляющимся затвором также в виде струи жидкости.

  Впрочем, устойчивые ультракороткие импульсы от лазера на красителе в некоторых случаях можно было получать и безо всяких затворов, что с удивлением констатировали многие исследователи.

  В середине 90-х годов появились лазеры на твердом теле с широкими спектральными полосами усиления. В них использованы активные стержни в виде кристаллических пластинок толщиной порядка миллиметра при непрерывной или импульсной лазерной накачке. Лазер генерирует на простейшей поперечной моде резонатора. Умеренные плотности мощности генерируемого излучения при этом не вызывают повреждений кристалла, а сверхкороткие импульсы оказываются стабильными и воспроизводимыми. Наиболее удачный материал, используемый в настоящее время, - сапфир, активированный титаном [14]. Принципиально, что непрерывный режим генерации ультракоротких импульсов в таких лазерах осуществляют без использования разработанных ранее и "теоретически обоснованных" методов синхронизации мод с помощью затворов, устанавливаемых в лазерный резонатор. Имеется множество работ, в которых получают великолепное или хорошее "согласие теории и эксперимента". При этом авторы этих работ игнорируют иногда очевидные противоречия и парадоксы своей теории. Поэтому не следует быть излишне доверчивыми. Компьютерные методы расчета стали настолько изощренными, что согласовать любые опытные данные с правдоподобной (но неверной в принципе) концепцией, варьируя несколько свободных параметров, не представляет больших трудностей.

  Генерация ультракоротких импульсов лазером - это процесс, в котором, по-видимому, основную роль играет когерентное взаимодействие излучения с активной средой. Именно в направлении учета этих эффектов и должна развиваться теория лазеров. [15] 
 
 
 
 
 
 
 

Применение лазеров ультракоротких импульсов

1. Нелинейная  оптика (генерация второй, третьей,  n-ой гармоники и получение сверхкоротких импульсов в различных диапазонах длин волн и сверхкоротких импульсов частиц);

2. генерация суперконтинуума (так называемый белый лазер);
3. высокотемпературное фотонное эхо и эхо-процессоры;
4. исследование быстротекущих процессов;
5. фемтохимия;
6. прецизионная спектроскопия;
7. оптические стандарты частоты;
8. оптическая томография и микроскопия;
9. прецизионная обработка материалов;

10. опыты по нелинейной квантовой электродинамике (в том числе и 
релятивистское взаимодействие излучения с веществом).

ю

Литература:

1. Кейси X., Паниш М. Лазеры на гетероструктурах. - М.: Мир, 1981.
2. Hakki B.W., Nash F.R. // J. Appl. Phys. 1974.
3. Van der Liel J.P., Dupuis R.D., etc. Degradation of GaAs lasers grown by 
   metalogranic chemical vapor deposition on Si substrates. Appl. Phys. Lett // 
   1987.

4. Грйбковский В.П. и др. Деградация гетеролазеров и изменение их 
   внутренних параметров // ЖПС.-1977.

5. Макрицкий Ю.В. и др. Влияние режимов эксплуатации на скорость 
   старения гетеролазеров // Препринт ИФ АН БССР.-1977.
6. Egawa N., Jimbo Т., Hasegawa Y e.a. Optical and electrical degradations of 
   GaAs-based laser diodes grown on Si substrates // Appl. Phys. Lett -1994.
7. Кочетков А.А. Прогнозирование параметров распределения времени 
   отказов инжекционных гетеролазеров // Квантовая электроника. - М., 
   1995.
8. Snyder C.W., Lee J.W., Hull R. e.a. Catastrophic degradation lines at the 
   fasets of InGaAs / InP lasers investigated by transmission electron 
   microscopy // Appl. Phys. Lett -1995.
9. Яковлев В.П., Лупу Ф.Т., Суручану Г.И. и др. Внутренняя генерация 
   второй гармоники в лазерных диодах на основе AlGaAs в процессе их 
   деградации // Письма в ЖТФ.-1995.
10. Борисов В.И., Лебедев В.И., Перепечко С.Н. Определение 
    длительности сверхкоротких лазерных импульсов интерференционным 
    методом // Материалы 3-го симпозиума «Сверхбыстрые процессы в 
    спектроскопии».- Минск, 1983.

11 .Takahara H. Coherence of laser beam passing through an optical fiber // Optica.acta. - 1982.

12. Джибладзе М.И., Лежаев Б.С, Чагулов B.C. и др. Влияние оптического 
    волокна на когерентность лазерного излучения // Сб. Проблемы 
    голографии.-М., 1976.

13. Imai M., Asakura T. Speckle contrast of laser light transmitted through 
    multimode optical fiber // Optic -1977.

14. Imai M., Iida M., Asakura T. Off axis speckle contrast of laser light 
    transmitted through multimode optical fiber // Optic -1978.
15. В.И. Борисов, В.И. Лебедев, С.Н. Перепечко Введение в оптику 
    ультракоротких лазерных импульсов — Могилев 2005.