Лазеры ультракоротких импульсов

  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.