Фемтосекундный импульс¶

Фемтосекундный импульс — это сверхкороткий импульс электромагнитного излучения (обычно оптического диапазона), длительность которого составляет от 1 до 100 фемтосекунд (1 фс = 10⁻¹⁵ с). Такие импульсы характеризуются высокой пиковой мощностью и широким спектральным составом, что обусловлено принципом неопределённости Гейзенберга: чем короче импульс во времени, тем шире диапазон частот, которые он занимает.

¶Физические основы

Длительность фемтосекундного импульса сопоставима с периодом колебаний видимого света (1,8–3,3 фс). За время одного импульса свет проходит расстояние всего 0,3–30 мкм. Электрическое поле в таком импульсе совершает лишь несколько полных колебаний, а в предельном случае — менее одного периода, что приводит к генерации так называемых «полупериодных» импульсов.

Ключевой характеристикой является соотношение между длительностью τ и спектральной шириной Δν: τ·Δν ≥ 0,44 для гауссова импульса. Для фемтосекундного импульса длительностью 10 фс спектральная ширина составляет не менее 44 ТГц, что в оптическом диапазоне соответствует ширине полосы около 50–100 нм.

¶Генерация

Фемтосекундные импульсы получают с помощью лазерных систем с синхронизацией мод. Основные методы:

• Пассивная синхронизация мод — с использованием насыщающихся поглотителей (полупроводниковых зеркал SESAM) или эффекта Керра (керровская линза). Титан-сапфировые лазеры на эффекте Керра позволяют получать импульсы длительностью 5–30 фс.
• Активная синхронизация мод — с помощью акустооптических или электрооптических модуляторов, применяется реже из-за ограничений по минимальной длительности.
• Усиление чирпированных импульсов (CPA) — метод, при котором импульс растягивается во времени, усиливается и затем сжимается обратно. Это позволяет избежать повреждения усиливающей среды и достичь пиковых мощностей в тераваттном диапазоне.

Современные волоконные лазеры на основе иттербия и эрбия способны генерировать фемтосекундные импульсы с высокой частотой повторения (десятки МГц) и средней мощностью до нескольких ватт.

¶Свойства

¶Пиковая мощность

При энергии импульса 1 мДж и длительности 100 фс пиковая мощность достигает 10 ГВт. Фокусировка такого импульса в пятно диаметром 10 мкм даёт интенсивность порядка 10¹⁶ Вт/см², что сравнимо с внутриатомными полями.

¶Спектральная ширина

Широкий спектр позволяет использовать фемтосекундные импульсы для спектроскопии с высоким временным разрешением — за один импульс можно возбудить сразу несколько квантовых переходов.

¶Когерентность

Фемтосекундные импульсы обладают высокой временной когерентностью, что позволяет использовать их в интерферометрии и для генерации оптических гребёнок частот.

¶Применение

¶Научные исследования

• Фемтохимия — изучение динамики химических реакций в реальном времени (Нобелевская премия по химии 1999 года, А. Зевейл). Позволяет наблюдать разрыв и образование связей на временных масштабах колебаний атомов.
• Сверхбыстрая спектроскопия — исследование релаксационных процессов в полупроводниках, белках, квантовых точках.
• Терагерцовая спектроскопия — генерация терагерцового излучения путём выпрямления фемтосекундных импульсов в нелинейных кристаллах.

¶Промышленность и медицина

• Микрообработка материалов — фемтосекундная лазерная абляция позволяет создавать структуры с точностью до десятков нанометров без теплового повреждения окружающих областей. Применяется в производстве полупроводников, солнечных элементов, стентов.
• Офтальмология — фемтосекундные лазеры используются для формирования роговичного лоскута при операции LASIK (метод Фемто-ЛАСИК).
• Стоматология — прецизионное препарирование твёрдых тканей зуба.

¶Метрология

Оптические частотные гребёнки на основе фемтосекундных лазеров используются для сверхточного измерения частоты и времени, в том числе в атомных часах нового поколения.

¶Ограничения и проблемы

Основные трудности при работе с фемтосекундными импульсами связаны с дисперсией — при прохождении через оптические материалы импульс растягивается во времени. Для компенсации используются дисперсионные зеркала, решётки и призмы. Кроме того, при высоких интенсивностях проявляются нелинейные эффекты (самофокусировка, филаментация), ограничивающие максимальную мощность распространения в среде.

¶Источники

• Введение в фемтосекундную оптику, С. А. Ахманов, В. А. Выслоух, А. С. Чиркин.
• Ультракороткие световые импульсы, под ред. С. Шапиро.
• Фемтосекундная лазерная физика, Ф. К. Крюков.