Az ultrarövid ( extrém rövid ) impulzuslézerek , az USP lézerek (PKI), a femtoszekundumos lézerek olyan optikai kvantumgenerátorok, amelyek képesek olyan lézersugárzási impulzusokat generálni, amelyek meglehetősen kis számú optikai térrezgést tartalmaznak.
Általános esetben a 100 pikoszekundumnál rövidebb impulzusokat ultrarövid lézerimpulzusoknak nevezhetjük. Új lézerrendszerek létrehozása szempontjából azonban az 1 pikoszekundumnál rövidebb impulzusok létrehozásával kapcsolatos kutatások relevánsak, hiszen viszonylag olcsó lézerdiódákon alapuló rendszerekkel már 50 pikoszekundumos nagyságrendű impulzusidő is elérhető .
A meglévő ultrarövid impulzusú lézerek 5 femtoszekundumos nagyságrendű időtartamot értek el. Vannak jelentések attoszekundumos impulzustartamú kísérleti rendszerek létrehozásáról.
Jellemvonások:
Az USP lézerek működési elve a lézerüregben történő üzemmódrögzítésen alapul . Az USP generálására két lehetséges forgatókönyv létezik. Az egyik változatban a generálás azonnal elindul minden üzemmódban véletlenszerű fázissal és intenzitással, majd kiesés következik be, aminek következtében az összes üzemmód mereven párosodik (csak bizonyos frekvenciájú és intenzitású üzemmódok maradnak a rezonátorban), így csak egy impulzus nagyon rövid ideig marad a rezonátorban. A második lehetőség, hogy a generálás egy módban indul, de ekkor intermode interakció eredményeként a generálás más üzemmódokban is gerjesztődik a szükséges fáziskülönbséggel és relatív intenzitással, aminek következtében a kép pontosan olyan lesz, mint az első eset. Az impulzusformálás általában 10 rezonátormenetben történik. További 10-20 lépésben az impulzusok lerövidülésének és erősítésének folyamata megy végbe, és végül stabil USP-ket kapunk. Az impulzusrövidítés és -erősítés folyamatában a nemlineáris folyamatok nagy jelentőséggel bírnak. Így a bevezető él meredekebbé válik egy fehéríthető abszorberen való áthaladás után (vagy az aktív közegben történő önfókuszálás (Kerr lencse) és az impulzus „intenzív” részének elválasztása következtében). A kifutó él lerövidül amiatt, hogy a populációinverziónak nincs ideje helyreállni, miközben az impulzus áthalad az aktív közegen. Annak érdekében, hogy az erősítési és az impulzusrövidítési folyamatok a leghatékonyabbak legyenek, az aktív közeget a lehető legvékonyabbra, a szivattyú teljesítményét pedig nagyobbra kell választani (de nem lépheti túl a stabil impulzusgenerálás határait).
Létezik aktív és passzív zárolás. Tehát az aktív mód zárolása esetén speciális eszközre van szükség, amely közvetlenül zárja az üzemmódokat (szinkron szivattyúzás, vagy speciális modulátor Q-kapcsolt üzemmódban - Q-moduláció), míg passzív zárolás esetén ez automatikusan megtörténik a tervezési jellemzők. Az aktív szinkronizálással rendelkező lézereket a szinkronizáló eszközök gyártásának összetettsége miatt ma gyakorlatilag nem használják. A passzív zárolású lézereknek két lézerküszöbük van. Az első teljesen hétköznapi; ha a szivattyúzás meghaladja az első küszöböt, az USP lézer hagyományos hangolható lézerként működik. A második küszöbérték szivattyúteljesítményének túllépésekor kedvező feltételek jönnek létre az USP-k kialakulásához, azonban a generálás megkezdéséhez további intézkedésekre lehet szükség, például a GVD-kompenzátor gyors mozgására vagy megnyomására (Group Velocity Dispersion). ), általában ez szükséges egy zajkitörés megjelenéséhez, amelyből az USP szekvencia tovább fejlődik.
Napjaink legnépszerűbb titán-zafír alapú lézerei Kerr lencsével (3. generáció) és szálas lézerek dióda pumpálással (4. generáció). Az elsőket főleg laboratóriumi körülmények között használják, és lehetővé teszik, hogy nagy impulzusenergiát kapjon; a második, kompaktabb és gazdaságosabb, aktívan használják alkalmazott célokra (például a távközlésben). Az USP lézer fő része azonban, mint minden más, egy aktív közeggel ellátott rezonátor. Más lézerekkel ellentétben az aktív közegnek széles spektrális tartományban kellő erősítéssel kell rendelkeznie. A harmadik generációs lézereket kétüreges séma jellemzi:
egy 2 3 négy 5 6 7 nyolc 9 tíz tizenegy 12
A fenti ábra egy tipikus harmadik generációs lézerkialakítást mutat be, egy Ti:zafír lézert, a Kerr-lencse miatt passzív módú zárással. Az alábbiakban ennek a lézernek a diagramja látható (az elemek számozása megegyezik). Ezt a kialakítást a V. I. nevét viselő Kazany Fizikai-Műszaki Intézet Molekuláris Fotókémiai Laboratóriumába telepítették. E. K. Zavoisky . Ezt a beállítást használták 50–60 fs időtartamú, 80 MHz ismétlési frekvenciájú USP impulzussorozatok előállítására, amelyek impulzusközéppontja 780–800 nm tartományban van, félszélessége pedig körülbelül 20 nm. Az ilyen típusú külföldi telepítéseknél[ hol? ] laboratóriumok legfeljebb 5,4 fs időtartamú impulzusokat kaptak (kevesebb mint két fényhullám periódus).
Ez a kép az USP lézer összes fő elemét mutatja:
Az ábrán a lézer összes fő eleme látható, a kialakult sugár (élénkpiros) és egy gyengébb (sötétvörös), amely részt vesz az ultrarövid impulzusok képzésében, egy prizmás DHS kompenzátor, egy membrán a hullámhossz hangolásához, egy belső ill. külső rezonátor, szivattyúzás (zöld) .
Meg kell jegyezni, hogy a nemlineáris optikában használt összes optika szükségszerűen bevonattal van ellátva. És a szokásos fémtükrök helyett dielektromos tükröket használnak. Ezen kívül a rövidebb impulzusok eléréséhez speciális, ún. "csipogós" tükrök .
Lézeres műveletElőször bekapcsoljuk a pumpás lézert , és a teljesítményt a generálási küszöbig (pontosabban valamivel az első küszöb fölé, de még nincs USP-generáció) növeljük. Ha szükséges, a tükröket úgy állítják be , hogy a lézersugárzás maximális intenzitását érjék el. Ha a hangolást a hullámhossz mentén hajtották végre, akkor ez kötelező eljárás. Az USP-k generálásának megkezdéséhez a 8-as vagy 9-es prizma alapját kis mértékben meg kell nyomni, hogy ingadozási tüskéket hozzunk létre. Ezen ingadozási csúcsok időtartama a kezdeti szakaszban fordítottan arányos az amplifikációs vonal szélességével (amely általában 10-13 s tartományban van). Egy-kétezer áthaladás után az időtartam általában 10-11 s-ra növekszik az erősítési vonal közepén elhelyezkedő módusok nagyobb felerősítése miatt, azonban egy-kétezer áthaladás után a legnagyobb ingadozási hullám eléri ezt az intenzitást. hogy viselkedésében jelentős szerepet játszanak a nemlineáris hatások, nevezetesen a törésmutató változása és az önfókuszálás egy Ti:zafír kristályban. Az önfókuszálás (nemlineáris Kerr-effektus ) miatt ez az ingadozási hullám kisebb veszteséget okoz a belső rezonátorban (mivel jobban fókuszál)
, így jobban erősít, mint mások, és (viszonylag) nagy intenzitása miatt csökkenti a populáció inverzióját, a kevésbé intenzív emisszió pedig az erősítési küszöb alatt van. Amikor egy majdnem kialakult USP impulzus intenzitása eléri azt az értéket, hogy a populáció inverziójának nagy része megszűnik az impulzus erősítőn való áthaladása során, a lézer stabil monoimpulzus üzemmódba lép (azaz csak egy impulzus lehet az erősítőn keresztül). rezonátor egy időben), ami kb. 100 MHz-es impulzusok frekvencia-ismétlésének felel meg (a külső rezonátor hosszával (a fényképen 11-12. számú tükrök) kb. 1 méter).
Megjegyzendő, hogy a DGS prizmakompenzátor (8–9) fontos szerepet játszik ebben a kialakításban. Amikor egy impulzus egy közegen keresztül terjed, torzulásokat tapasztal annak következtében, hogy a diszperzió (törésmutató) különböző hullámhosszokon eltérő (ezt hívják csoportsebesség-diszperziónak vagy másodrendű diszperziónak). Az impulzus intenzitása olyan nagy, hogy a közegen való terjedéskor a harmadik, sőt néha még magasabb rendűek szóródása kezd szerepet játszani. Ezeknek a torzulásoknak a kijavításához (hogy az impulzus időben ne „elmosódjon”, vagy más szóval a „csipogás” kompenzálására) vagy egy speciális kompenzátort (egy pár diffrakciós rácsot vagy prizmát) szerelnek fel, vagy speciális „csipogással” ” tükröket használnak.
A DGS kompenzátor a következőképpen működik. A 8. prizma utáni impulzus spektrumra bomlik. A 9. prizma után párhuzamos fénysugár („piros” sugár közelebb a megfigyelőhöz) halad át a 10. membránon, és visszaverődik a 11. sükettükörről. Ellenkező irányban egy már kompenzált (az eltérő optikai úthossz miatt) impulzus távozik. prizma 8. A membrán mozgatásával és szélességének változtatásával beállíthatja a hullámhosszt és az impulzus időtartamát. A spektrum szélességének változása az időtartam változásának felel meg, mivel egy ilyen lézerben az impulzus spektrálisan korlátozott, vagyis olyan, amelyben a félszélesség fordítottan arányos az időtartammal.
Az impulzus időtartama erősen függ a Ti:zafír kristály vastagságától - minél vékonyabb a kristály, annál rövidebb az impulzus. A DGS kompenzátor is jelentős szerepet játszik: ha az impulzus csipog (vagyis a vivőfrekvencia változik az impulzus időtartama alatt), akkor az időtartama hosszabb lesz. A lézer működését jelentősen befolyásolja a lézer hangolása (az elemek helyzetének beállítása), a pumpás lézer stabilitása és paraméterei (főleg teljesítmény). A fő probléma, amellyel folyamatosan küzdeni kell egy ilyen lézeres kialakításban, a termikus instabilitás. Ha a pumpás lézert és az aktív közeget egy hűtőrendszer (folyóvíz) stabilizálja, akkor magát a rezonátort meglehetősen nehéz stabilizálni - a hőmérséklettől függően változik a rezonátor optikai hossza, és a lézert újra kell hangolni. . A generáció elvesztéséhez elegendő a kis ingadozás - egyszerűen „lefújhatja” az impulzusokat anélkül, hogy nagyon erősen fújná a rezonátort.
A nemlineáris optikában általában dielektromos tükröket használnak. Ezek olyan tükrök, amelyeket adott törésmutatójú és rétegvastagságú dielektromos anyagok több rétegének lerakásával állítanak elő. Egy ilyen tükör sokkal jobban visszaveri a fényt, mint egy fém. Az ilyen tükröknek azonban vannak hátrányai. A dielektromos tükör általában úgy van kialakítva, hogy a maximális reflexió egy szűk spektrális tartományra és egy szűk beesési szögtartományra vonatkozik. A spektrum és a beesési szög más tartományaiban egy ilyen tükör sokkal rosszabbul tükröz.
A hullámhossz mentén történő hangolás és hangolás kulcsa a 6 tükör, a membrán és a prizmák helyzete. A lézert a 6 tükör mozgatásával femtoszekundumos impulzusok generálására hangoljuk, szükség szerint változtatjuk a 8 és 7 prizmák helyzetét.A hullámhossz hangolása a membrán mozgatásával történik.
Az ultrarövid impulzusok erősítésére a Chirped Pulse Amplification nevű speciális technikát alkalmazzák. Mivel egy ultrarövid impulzus nagymértékű erősítése az optikai elemek károsodásához vezet, az impulzus az erősítés előtt időben „megnyúlik”, az erősítést követően pedig „összenyomódik”. Terawattos és petawattos lézereknél az erősítés során a lézersugár átmérőjét teleszkóp segítségével növelik (például két nagyító lencse segítségével, amelyek egyike a másik fókuszában van).
Az impulzus időbeni "nyújtására" két diffrakciós rácsból álló kialakítást alkalmaznak, amely olyan fázismodulációt (csiripelést) hoz létre, hogy az impulzus időtartama 10-szeresére vagy többre nő.
Ha a lézerimpulzusok időtartama 10-12 s-nál rövidebb, a hagyományos optoelektronikai (például fotodiódajel rögzítése oszcilloszkóppal) rögzítési módszerek már nem alkalmasak. Ezért a femtoszekundumos impulzusok regisztrálására optikai módszereket alkalmaznak, például autokorrelációt, második harmonikus generálást stb. Az elmúlt évtizedben olyan módszereket alkalmaztak, mint a FROG ( Frequency-Resolved Optical Gating ) és a SPIDER ( spektrális fázisinterferometria közvetlen elektromos tér rekonstrukcióhoz ).).
Q-kapcsolós lézer intracavity fehéríthető abszorberrel.
Festéklézerek (fehéríthető abszorberrel és gyűrűrezonátorral )
Lézerek vibronikus kristályokon Kerr lencsével.
Diódapumpás szálas lézerek .
hullámvezető lézerek.