Ultrakrátké ( extrémně krátké ) pulzní lasery , USP lasery (PKI), femtosekundové lasery jsou optické kvantové generátory schopné generovat pulzy laserového záření, které obsahují poměrně malý počet oscilací optického pole.
V obecném případě lze pulsy kratší než 100 pikosekund nazvat ultrakrátké laserové pulsy. Z hlediska tvorby nových laserových systémů je však relevantní výzkum v oblasti vytváření pulsů kratších než 1 pikosekunda, neboť již lze dosáhnout délky pulsu řádově 50 pikosekund pomocí relativně levných systémů na bázi laserových diod .
Stávající lasery s ultrakrátkým pulzem dosáhly trvání řádově 5 femtosekund. Existují zprávy o vytváření experimentálních systémů s dobou trvání pulsu attosekundy.
Charakterové rysy:
Princip činnosti USP laserů je založen na uzamčení režimu v dutině laseru . Existují dva možné scénáře generování USP. V jedné verzi začíná generování okamžitě ve všech režimech s náhodnou fází a intenzitou a poté dochází k výpadku, v důsledku čehož se všechny režimy pevně spřaží (v rezonátoru zůstávají pouze režimy s určitými frekvencemi a intenzitami), takže pouze jeden pulz zůstává v rezonátoru s velmi krátkou dobou trvání. Druhou možností je, že generování začíná v jednom režimu, ale pak v důsledku intermodové interakce je generování vybuzeno také v jiných režimech s požadovaným fázovým rozdílem a relativní intenzitou, v důsledku čehož se obraz stává přesně stejným jako v první případ. K tvarování pulsu obvykle dochází v 10 průchodech rezonátorem. V dalších 10–20 průchodech probíhá proces zkrácení a zesílení pulzů a nakonec se získají stabilní USP. V procesu zkracování a zesilování pulzu mají velký význam nelineární procesy. Náběžná hrana se tak po průchodu bělitelným absorbérem (nebo v důsledku samozaostření (Kerrova čočka) v aktivním médiu a oddělení pouze „intenzivní“ části pulsu stává strmější). Sestupná hrana je zkrácena v důsledku skutečnosti, že populační inverze se nestihne zotavit, zatímco puls prochází aktivním médiem. Aby byly procesy zesilování a zkracování pulsu co nejefektivnější, je nutné volit aktivní média co nejtenčí a výkon pumpy větší (ale nepřekračující hranice stabilního generování pulsů).
K dispozici je zamykání aktivního a pasivního režimu. V případě zamykání aktivního režimu je tedy potřeba speciální zařízení, které bude režimy přímo zamykat (synchronní čerpání, nebo speciální modulátor v režimu Q-switched - Q-modulation), zatímco u pasivního zamykání se to děje automaticky kvůli Designové vlastnosti. Lasery s aktivní synchronizací se dnes prakticky nepoužívají z důvodu složitosti výroby synchronizačních zařízení. Pasivně blokované lasery mají dva prahové hodnoty laseru. První je zcela obyčejný, když pumpování překročí první práh, pracuje USP laser jako běžný laditelný laser. Při překročení výkonu čerpadla druhého prahu jsou vytvořeny příznivé podmínky pro tvorbu USP, nicméně pro zahájení výroby může být zapotřebí další akce, například rychlý pohyb nebo stlačení kompenzátoru GVD (Group Velocity Dispersion ), obvykle je to nutné pro vznik šumu, od kterého se bude sekvence USP dále rozvíjet.
Nejpopulárnější dnes lasery na titan-safírové bázi s Kerrovou čočkou (3. generace) a vláknové lasery s diodovým čerpáním (4. generace). První se používají hlavně v laboratorních podmínkách a umožňují získat velkou energii pulzu; druhé, kompaktnější a ekonomičtější, se aktivně používají pro aplikované účely (například v telekomunikacích). Hlavní částí USP laseru je však jako každý jiný rezonátor s aktivním médiem. Na rozdíl od jiných laserů musí mít aktivní médium dostatečné zesílení v široké spektrální oblasti. Lasery třetí generace se vyznačují dvoudutinovým schématem:
jeden 2 3 čtyři 5 6 7 osm 9 deset jedenáct 12
Obrázek výše ukazuje typickou konstrukci laseru třetí generace, Ti:safírový laser s pasivním blokováním režimu díky Kerrově čočce. Níže je schéma tohoto laseru (číslování prvků je stejné). Tento design byl instalován v Laboratoři molekulární fotochemie Kazaňského fyzikálně-technického institutu pojmenované po V.I. E. K. Zavoisky . Toto nastavení bylo použito k získání sekvencí USP pulzů s délkou trvání 50–60 fs a opakovací frekvencí 80 MHz, se středem pulzu v rozsahu 780–800 nm a poloviční šířkou asi 20 nm. Při instalacích tohoto typu v zahraničí[ kde? ] laboratoře přijímaly pulzy s délkou trvání až 5,4 fs (méně než dvě periody světelné vlny).
Tato fotografie ukazuje všechny hlavní prvky laseru USP:
Diagram ukazuje všechny hlavní prvky laseru, vytvořený paprsek (jasně červený) a slabší (tmavě červený), který se podílí na tvorbě ultrakrátkých pulzů, hranolový DHS kompenzátor, membránu pro ladění vlnové délky, vnitřní a externí rezonátor, čerpací (zelený) .
Je třeba poznamenat, že veškerá optika, která se používá v nelineární optice, je nutně potažena. A místo běžných kovových zrcadel se používají dielektrická. Pro dosažení kratších pulzů se navíc používají speciální, tkzv. „cvrliká“ zrcátka .
Laserová operaceNejprve se zapne laser pumpy a výkon se zvýší na generační práh (přesněji mírně nad první práh, ale ještě neexistuje žádná generace USP). V případě potřeby jsou zrcadla nastavena tak , aby byla získána maximální intenzita laserového záření. Pokud bylo ladění provedeno podél vlnové délky, je to povinný postup. Pro zahájení generace USP je nutné malé zatlačení na základnu hranolu 8 nebo 9, aby se vytvořily nějaké kolísavé hroty. Trvání těchto fluktuačních vrcholů v počáteční fázi je nepřímo úměrné šířce zesilovací čáry (která obvykle leží v oblasti 10–13 s). Po jednom až dvou tisících průchodech se doba trvání obvykle prodlouží na 10–11 s kvůli většímu zesílení režimů umístěných ve středu linie zesílení, avšak po jednom až dvou tisících průchodů dosáhne největší fluktuační vlna takové intenzity že v jeho chování hrají významnou roli nelineární efekty, jmenovitě změna indexu lomu a samozaostření v Ti:safírovém krystalu. Díky samozaostření (nelineární Kerrův efekt ) dochází při tomto kolísání k menší ztrátě ve vnitřním rezonátoru (protože je lépe zaostřený)
, tedy zesiluje lépe než ostatní a díky své (relativně) vysoké intenzitě snižuje populační inverzi a méně intenzivní emise jsou pod prahem zesílení. Když intenzita téměř vytvořeného USP pulsu dosáhne takové hodnoty, že většina inverze populace je odstraněna během průchodu tohoto pulsu zesilovačem, laser přejde do stabilního monopulsního režimu činnosti (tj. pouze jeden puls může být v rezonátoru najednou), což odpovídá frekvenčnímu opakování pulsů cca 100 MHz (s délkou externího rezonátoru (na fotografii zrcadla očíslovaná 11-12) cca 1 metr).
Je třeba poznamenat, že v tomto návrhu hraje důležitou roli hranolový kompenzátor DGS (8–9). Když se puls šíří prostředím, dochází u něj ke zkreslení v důsledku skutečnosti, že disperze (index lomu) je pro různé vlnové délky různá (toto se nazývá skupinová rychlostní disperze nebo disperze druhého řádu). Intenzita pulzu je tak velká, že při šíření prostředím začíná hrát roli rozptyl třetího a někdy i vyšších řádů. Pro korekci těchto zkreslení (aby se puls v čase „nerozmazal“, nebo jinými slovy, aby se kompenzovalo „cvrknutí“), je instalován buď speciální kompenzátor (pár difrakčních mřížek nebo hranolů), nebo speciální „cvrlikání“. “ se používají zrcadla.
Kompenzátor DGS funguje následovně. Puls za hranolem 8 je rozložen do spektra. Za hranolem 9 prochází paralelní paprsek světla („červený“ paprsek blíže k pozorovateli) přes clonu 10 a odráží se od neslyšícího zrcadla 11. V opačném směru odchází již kompenzovaný (vzhledem k jiné délce optické dráhy) pulz. hranol 8. Pohybem membrány a změnou její šířky můžete upravit vlnovou délku a dobu trvání pulzu. Změna šířky spektra odpovídá změně trvání, protože puls v takovém laseru je spektrálně omezený, to znamená takový, jehož poloviční šířka je nepřímo úměrná trvání.
Doba trvání pulsu silně závisí na tloušťce Ti:safírového krystalu - čím tenčí krystal, tím kratší puls. Nezanedbatelnou roli hraje i kompenzátor DGS: pokud pulz cvrliká (to znamená, že se během trvání pulzu mění nosná frekvence), bude jeho trvání delší. Činnost laseru je také významně ovlivněna laděním (úpravou polohy prvků) laseru, stabilitou pumpového laseru a jeho parametry (hlavně výkon). Hlavním problémem, se kterým musíte v takovém laserovém provedení neustále bojovat, je tepelná nestabilita. Pokud je čerpadlový laser a aktivní médium stabilizováno chladicím systémem (tekoucí vodou), pak je poměrně obtížné stabilizovat samotný rezonátor - v závislosti na teplotě se mění optická délka rezonátoru a laser se musí znovu ladit . Ke ztrátě generace stačí malé výkyvy - pulsy můžete jednoduše „sfouknout“, aniž byste velmi silně foukali na rezonátor.
V nelineární optice se obvykle používají dielektrická zrcadla. Jedná se o zrcadla, která se získávají nanesením několika vrstev dielektrických materiálů s daným indexem lomu a tloušťkou vrstvy. Takové zrcadlo odráží světlo mnohem lépe než kovové. Taková zrcadla však mají nevýhody. Typicky je dielektrické zrcadlo navrženo tak, že maximální odrazivost je pro úzký spektrální rozsah a pro úzký rozsah úhlů dopadu. V jiných rozsazích spektra a úhlech dopadu se takové zrcadlo odráží mnohem hůře.
Klíčem pro ladění a ladění podél vlnové délky jsou polohy zrcadla 6, membrány a hranolů. Laser je naladěn tak, aby generoval femtosekundové pulsy pohybem zrcadla 6. Podle potřeby se mění poloha hranolů 8 a 7. Vlnová délka se ladí pohybem membrány.
K zesílení ultrakrátkých pulzů se používá speciální technika zvaná Chirped Pulse Amplification. Protože velké zesílení ultrakrátkého pulsu povede k poškození optických prvků, puls se „natáhne“ v čase před zesílením a „stlačí“ po zesílení. U terawattových a petawattových laserů se během zesílení laserový paprsek zvětší v průměru pomocí dalekohledu (například pomocí dvou zvětšovacích čoček, z nichž jedna je zaostřená na druhé).
Pro "protažení" pulzu v čase se používá konstrukce dvou difrakčních mřížek, které vytvářejí takovou fázovou modulaci (cvrlikání), že se doba trvání pulzu prodlužuje 10 a vícekrát.
Když je doba trvání laserových pulzů kratší než 10–12 s, klasické optoelektronické (např. záznam fotodiodového signálu osciloskopem) již nevyhovují. K registraci femtosekundových pulzů se proto používají optické metody, jako je autokorelace, generování druhé harmonické atd. V posledním desetiletí se používají metody jako FROG ( Frequency-Resolved Optical Gating ) a SPIDER ( Spektrální fázová interferometrie pro přímou rekonstrukci elektrického pole).
Q-spínaný laser s intrakavitálním bělitelným absorbérem.
Barevné lasery (s použitím bělitelného absorbéru a prstencového rezonátoru )
Lasery na vibrokrystalech s Kerrovou čočkou.
Diodově čerpané vláknové lasery .
vlnovodné lasery.