Генерация предельно коротких фазостабилизированных импульсов

Получение предельно коротких световых импульсов, содержащих минимальное количество циклов поля в разных спектральных диапазонах, является одним из главных трендов развития лазерной физике 21-го века. Фундаментальным физическим пределом длительности лазерного импульса является оптический период электромагнитной волны (для длины волны распространенных Ti:Sapphire лазерных систем период поля составляет несколько фемтосекунд, 1 фс = 10^-15 с). Использование столь коротких импульсов, состоящих из всего нескольких или даже одной осцилляции электромагнитного поля, составляет важное направление современных приложений в области нелинейной оптики. В частности, они используются для исследования сверхбыстрых оптических процессов ионизации атомов и молекул в высокоинтенсивных лазерных полях, идущих на аттосекундном (1 ас = 10^-18 с) характерном временном масштабе, необходимы в нелинейной спектроскопии с максимальным временным разрешением для исследований аттосекундной динамики электронов в атомах. В спектральном представлении предельно короткие импульсы представляет собой мультиоктавный суперконтинуум, непрерывно покрывающий спектральный диапазон шириной несколько октав, что представляет ценность в нелинейной спектроскопии молекул и атомов. Особый интерес представляет стабилизация, управление и использование фазой поля относительно огибающей (СЕP). Ниже подробно рассмотрены возможность и наши достижения в области генерации фазостабильных лазерных импульсов.

Поле лазерного импульса E(t) может быть представлено в виде гармонической волны, модулированной функцией огибающей A(t): E(t) = A(t)cos[Φ(t) +ω₀t], где ω₀ – центральная частота осцилляций набивки, а Φ(t) – её фаза. Временная ширина квадрата огибающей A(t) (интенсивность) определяет длительность импульса. Предельно коротким принято называть импульс, длительность которого сравнима с величиной периода осцилляций поля набивки. Интенсивные исследования методов генерации и способов применения такого излучения начались в начале 21 века и продолжаются до сих пор.

В случае относительно длинного («многопериодного») импульса, при его распространении в веществе будет происходить несколько актов взаимодействия, соответствующих пикам поля с наибольшей интенсивностью, причем интенсивность и количество этих пиков мало изменяется с фазой CEP. Если же индуцировать этот процесс предельно коротким импульсом, содержащим один-два цикла, то будет происходить только один акт взаимодействия с максимальной интенсивностью, или два немного менее интенсивных при фазе φ = 0 и φ = π/2 соответственно. Таким образом, контроль фазы открывает новые способы управления такими процессами.

Существуют различные способы получения предельно коротких импульсов. Один из методов, реализуемый в нашей лаборатории, основывается на нелинейно-оптическом эффекте солитонной самокомпрессии в полом микроструктурированном волноводе, который приводит к появлению в спектре новых спектральных компонент и значительному увеличению спектральной ширины импульса, которая обратно пропорциональна его длительности. Если скомпенсировать набег спектральной фазы, можно получить импульсы меньшей длительности, вплоть до предельно малых значений.

В режиме солитонной самокомпрессии компенсация набега фазы происходит в процессе распространения излучения в веществе одновременно с фазовой самомодуляцией. Для достижения этого эффекта необходимо, чтобы среда обладала отрицательной дисперсией групповых скоростей. При правильно подобранных параметрах волокна и импульсов накачки положительный нелинейный набег квадратичной компоненты фазы будет компенсироваться отрицательным набегом, вызванным линейным распространением света в диспергирующей среде, что, как указывалось выше, достигается с помощью полых микроструктурированных антирезонансных волноводов, заполненных аргоном под давлением. Поперечная структура используемых нами волноводов выбрана таким образом, чтобы уменьшить потери волновода и достичь отрицательной дисперсии групповых скоростей в диапазоне выше 1.5 мкм, что обеспечивает сжатие импульсов в ближнем инфракрасном спектре до предельно малых длительностей. Подбирая параметры установки, такие как мощность входного излучения, давление газа в волноводе и длина волновода, можно подобрать условия, при которых минимальная длительность импульса будет достигаться на выходе из волокна.

Если перейти к спектральному представлению и разложить фазу импульса в ряд Фурье Φ(ω) = Φ₀ + Φ'(ω₀)(ω—ω₀) +Φ»(ω₀)(ω—ω₀)² + … , слагаемое с первой производной отвечает за временной сдвиг импульса, а слагаемые со второй и высшими производными характеризуют спектральную фазу. Фаза между максимумом огибающей и ближайшим к нему максимумом поля (CEP) содержится в постоянном члене Φ₀. Фаза CEP постоянна в пределах одного импульса, но в стандартных лазерных системах она изменяется случайно от импульса к импульсу. Для исследования фазовозависимых процессов необходимо стабилизировать CEP, а также иметь возможность управлять её значением. В нашем подходе стабилизация CEP происходит пассивным методом за счет фундаментальных свойств нелинейных процессов. Последним компонентом нашей лазерной установки является оптический параметрический усилитель, на выходе из которого мы имеем два импульса – сигнальный и холостой. В дальнейших исследованиях, касающихся данного раздела, используются холостые импульсы, имеющие стабильную фазу CEP. Для измерения фазы, а, точнее, изменения фазы от импульса к импульсу, используется нелинейный f-2f интерферометр, в котором анализируется спектральная интерференция импульса с уширенным спектром и его второй гармоники. Скачки фазы от импульса к импульсу можно детектировать по сдвигу интерференционных пиков.

Управление фазой осуществляется с помощью точной юстировки задержки последнего канала усиления оптического параметрического усилителя. Кроме этого, можно использовать материальную дисперсию вещества, поскольку фазовая и групповая скорости в дисперсионной среде различны. Для демонстрации способности управления фазой, мы задали профиль изменения фазы в виде Главного здания МГУ имени М. В. Ломоносова. Реальное изменение фазы (синяя линия) с хорошей точностью повторяет заданный профиль (красная линия).

Полная характеризация импульса предельно малой длительности представляет собой трудную задачу и включает измерение его энергии, поперечного сечения пучка, его спектральной и временной интенсивности. Наиболее распространенные корреляционные методы, позволяющие измерять длительность импульсов, заключаются в разделении пучка на две части и пересечении их в нелинейном кристалле с управляемой задержкой. При дополнительных измерениях спектра нелинейного сигнала можно восстановить спектр и спектральную фазу импульса. Это позволяет получить информацию о временной огибающей и фазе с помощью преобразования Фурье.

Существуют и другие методы, основанные на спектральной интерференции. В этих методах происходит генерация суммарной частоты между исследуемым импульсом и двумя квазимонохроматическими импульсами с известным сдвигом частоты несущей. Интерференция между импульсами на суммарной частоте содержит информацию о спектральной фазе. Такой метод называется SPIDER и одна из его модификаций используется в нашей лаборатории для измерения длительности предельно коротких импульсов.

Результаты восстановления с помощью методики SPIDER временной огибающей импульса на выходе полого антирезонансного микроструктурированного волновода, заполненного аргоном, показывают длительность импульса 6.6 фс FWHM, что на центральной длине волны составило немного более одного периода поля. Также в экспериментах с помощью нелинейного f-2f интерферометра была продемонстрирована стабильность CEP.