ОК-4: знать : основные документы по курсу истории России;pdf

Метрологія-2014
Харків
ФЕМТОСЕКУНДНЫЙ ЛАЗЕР – ШИРОКИЕ ВОЗМОЖНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ
А.И. Поврозин, И.Н. Онищенко, А.М. Егоров,
В.П. Зайцев, А.В. Васильев, В.П. Лещенко
Национальный научный центр «Харьковский физико-технический институт»
Харьков, ул. Академическая, 1, тел. (057) 335-35-64,
е-mail: [email protected]
П.И. Неежмаков
Национальный научный центр «Институт метрологии»,
Харьков, ул. Мироносицкая, 42, тел. (057) 700-34-09, факс (057) 700-34-47,
е-mail: [email protected]
The characteristics of the femtosecond laser developed in NSC KIPT, which suggests
wide possibilities of its application in various fields of science and technology, are presented.
Special emphasis is on its implementation in metrology.
Слово «уникальные» давно стало характеристикой свойств фемтосекундных
лазеров. Уникальные характеристики излучения фемтосекундных лазеров
обуславливают их широчайшее применение в различных областях науки, включая
фундаментальную. Впечатляющие успехи достигнуты в технике, медицине, химии и
биологии [1].
Не будем задаваться целью осветить все многообразие полученных на
сегодняшний день результатов. Отметим лишь принципиальные моменты, которым
обязано это многообразие.
Развитие лазеров ультракоротких импульсов, а в настоящее время получены
импульсы около 5х10-15с, инициирует применения, основанные на использовании
минимальной длительности импульса.
Это прежде всего исследования
сверхбыстропротекающих процессов окружающего нас мира, в том числе мира,
созданного руками человека. Для подавляющего большинства исследуемых временных
процессов импульсы фемтосекундной длительности являются фактически дельтафункцией.
Особый интерес
фемтосекундные лазеры представляют для метрологии.
Уникальная особенность генерации суперконтинуума в режиме самосинхронизации
продольных мод, когда может быть обеспечена их эквидистантность не хуже, чем 10 –
16
, открывает возможность создания частотной “гребенки” (comb) [2]. С помощью этой
прецизионной “гребенки” можно осуществить не только синхронизацию эталонов,
работающих на различных частотах, но и измерять абсолютные значения оптических
частот.
Вторым принципиальным моментом является использование фемтосекундных
лазеров в качестве задающих генераторов одновременно с методом усиления частотномодулированных импульсов
для создания сверхмощных
лазерных систем
12
15
тераваттного (10 Вт) и петаваттного (10 Вт) уровня – СРА – лазерные системы
(аббревиатура от английских слов “chirp pulse amplification” [1].
Появление СРА – лазерных систем стало поворотным моментом в развитии
лазерной техники, что дало совершенно новые, ранее недоступные возможности для
исследовательской практики. Благодаря им, тераваттные мощности достигаются на
установках настольного типа. На их основе, созданы ускорители частиц с размерами от
миллиметров до сантиметров вместо размеров от метров до сотен метров для
традиционных ускорителей. Созданы компактные сверхбыстродействующие источники
ионизирующих излучений. СРА-лазеры не только используются в нанотехнологиях, но
и получили самостоятельное развитие, которое называется фемтотехнологией.
8
Метрологія-2014
Харків
В Институте плазменной электроники и новых методов ускорения ННЦ ХФТИ
создан фемтосекундный лазер, генерирующий на длине волны 800 нм импульсы
длительностью 17,3 фс.
На Рис.1 показан внешний вид фемтосекундного лазера (два ракурса). В
последней модификации лазерной установки он размещен в отдельном герметичном
корпусе (Рис.1, левый).
Рис.1
При создании фемтосекундного лазера были приняты меры по максимальному
уменьшению вибраций на конструкцию лазера, осуществлен контроль и поддержание
температуры, влажности и пылесодержания в рабочем объеме.
Общий рабочий объем, в котором находился фемтосекундный лазер,
ограничивался объемом “чистой комнаты”. На Рис.2 показан общий вид “чистой
комнаты”. На заднем плане размещен фемтосекундный лазер, входящий в состав
тераваттной системы.
Рис.2
Оптическая схема фемтосекундного лазера представлена на рис.3.
М3
lкр
A
rМ
2
М5
L
М6
B
М1
C
Рис.3
9
М4
Метрологія-2014
Харків
Здесь изображены: М1 и М4 – выходное и “глухое” зеркала; М2 и М3 – сферические
зеркала фокусирующего плеча резонатора, в котором находится Ti-Sa кристалл lкр; М5 и
М6 – направляющие зеркала Ar лазера накачки; L–линза, фокусирующая излучение
накачки в Ti-Sa кристалл; В и С – призмы компенсатора дисперсии групповой скорости
(ДГС). Описание параметров фемтосекундного лазера приведено в работе [3].
Требования к длине Ti-Sa кристалла определяются из необходимости уменьшения
дисперсии третьего порядка [4]. При уменьшении длины кристалла достигается
уменьшение длительности импульсов и увеличение ширины спектра излучения лазера,
что очень важно при использовании фемтосекундного лазера для метрологических целей.
В нашем случае длина Ti-Sa кристалла составляла величину 5 мм, что обеспечивало
ширину спектра излучения лазера до 90 нм.
На Рис.4 показаны спектры излучения фемтосекундного лазера, полученные при
настройке компенсатора ДГС с помощью призмы С (Рис.3). Кривые 1, 2 и 3 соответствуют
ширинам спектров излучения 20 нм, 45 нм и 85 нм (по половинному уровню).
Рис.4
На рис. 5 показана периодическая последовательность импульсов при генерации
Ti-Sa лазера в режиме самосинхронизации продольных мод. Регистрация выполнялась
с помощью широкополосного фотодиода S5973 (ф. Hamamatsu), частота следования
импульсов составляла 96,2 Мгц.
Рис.5
Замечательной особенностью работы фемтосекундного лазера
в режиме
самосинхронизации является получение стабильной “гребенки” эквидистантных
продольных мод. Эквидистантность мод, иллюстрируемая на Рис. 5, особенно наглядно
подтверждается при наблюдении спектра биений продольных мод. На Рис.6, а) и б)
10
Метрологія-2014
Харків
а)
б)
Рис. 6
показан спектр биений продольных мод лазера на частоте  f = с/2L = 96,2 MГц,
где с – скорость света, L – длина резонатора лазера. На Рис.6, а) показан спектр биений
лазера, работающего в режиме непрерывной генерации, когда фазы генерируемых мод
изменяются случайным образом. Видно, что сигнал биений флуктуирует по частоте и
по амплитуде. На Рис.6, б) показан спектр биений лазера, работающего в режиме
синхронизации мод. Здесь сигнал стабилен по частоте и амплитуде, а наблюдаемая
ширина спектра сигнала соответствует разрешающей способности анализатора спектра.
Истинная ширина спектра сигнала биений на несколько порядков величины меньше
наблюдаемого на экране анализатора спектра.
Примером применения эквидистантной “гребенки” может служить работа [5],
где описана методика измерения АЧХ широкополосных фотоприемников в диапазоне
частот 200х109 Гц с точностью 2% и представлены результаты измерения АЧХ
высокоскоростного фотодиода S5972 фирмы “Hamamatsu”.
Другим примером применения фемтосекундного лазера может служить анализ
Рис.5, из которого видна возможность определения быстродействия системы
“фотоприемник–осциллограф“. Действительно, при воздействии 17.3 фс импульсов на
фотоприемник на выходе осциллографа, ширина полосы которого составляла 200 МГц,
наблюдались импульсы шириной 2 нс (по половинному уровню).
Представленные выше характеристики фемтосекундного лазера дают основание
полагать о широких возможностях их применения в различных областях науки и
техники. Особенно следует подчеркнуть привлекательность их реализации в метрологии.
Список литературы
1. Крюков П.Г. Лазеры ультракоротких импульсов.// Квантовая электроника,
31, 95 (2001).
2. Udem T.,Reithert J., Holrwarht R. Optics Lrtts, 24, 881 (1999).
3. Зайцев В.П., Лещенко В.П., Поврозин А.И. Расчет призменного
компенсатора дисперсии групповой скорости для фемтосекундных
лазеров.//Вопросы атомной науки и техники, №3(67), 107, (2010).
4. Spielmann C., Curley P.F., Brabec T., Krausz F. Ultrabroadband femtosecond
lasers.// IEEE Journal of Quantum Electronics, 30, №4, 1100, (1994).
5. Vasilyev A.V.,Zajtsev V.P., Leshchenko V.P., Povrozin A.I. Application of
femtosecond Ti-Sa lasers for measuring of amplitude-frequency characteristics of
wide-band photodevices.//Вопросы атомной науки и техники,№6(88), 244,
2013.
11