В ФИАНе проведена серия экспериментов по сжатию лазерных импульсов. 300-фемтосекундный импульс излучения иттербиевого лазера с длиной волны 1030 нм и энергией 150 мкДж был преобразован в импульс длительностью 15 фс с длиной волны 515 нм. Эта работа проделана совместно со спин-офф компанией «Авеста-Проект» (г. Троицк), которая использует полученные знания для создания новых приборов.

Благодаря своим уникальным свойствам, фемтосекундные лазеры находят широкое применение в различных областях науки, техники и медицины. Фемтосекундные лазеры с активными элементами, легированными ионами иттербия (иттербиевые лазеры), получили широкое распространение благодаря сочетанию высокой средней мощности и эффективности, реализуемой при диодной накачке. Это наиболее разработанные, надежные, компактные и эффективные лазерные системы на сегодня. Они могут быть использованы в качестве задающего генератора в усилительных системах, для многофотонной микроскопии, сверхбыстрой спектроскопии, генерации терагерцового излучения, оптической когерентной томографии и пр. О

днако каждая лазерная система имеет свои недостатки. Что касается иттербиевых лазеров, то здесь невозможно получить импульс короче порядка 300 фс и с энергией при этом выше 1^-10 мкДж.

В проведенной в Троицке работе для сжатия импульса использовались эффекты нелинейной оптики. Сфокусированное мощное излучение фемтосекундного иттербиевого лазера запускалось в полый цилиндрический световод (капилляр), заполненный ксеноном (необходимо заполнение инертным газом) под давлением в несколько атмосфер. Благодаря отражению света при скользящем падении на внутренние стенки капилляра, пучок сохранял высокую интенсивность при распространении внутри капилляра, а непосредственно сжатие осуществлялось на основе нелинейного эффекта уширения спектра импульса.

Рассказывает участник работы, ведущий научный сотрудник ФИАН, доктор физико-математических наук Леонид Леонидович Лосев:

«Уширение спектра импульса происходит вследствие фазовой самомодуляции, вызванной нелинейной зависимостью показателя преломления нейтральной газовой среды от интенсивности излучения. На переднем фронте импульса мгновенное значение частоты сдвигается в красную сторону, на заднем – в синюю. Возникает частотный чирп, то есть изменение частоты со временем, которое в дальнейшем компенсируется во временном компрессоре, и длительность лазерного импульса сокращается. Нами же был предложен, запатентован и экспериментально реализован новый способ компрессии – мы построили компрессор, в котором компрессия осуществлялась в два этапа: вначале при уширении спектра в капилляре, а затем при уширении спектра в процессе генерации второй гармоники».

Первые работы по компрессии лазерных импульсов в капилляре появились примерно 15 лет назад. К настоящему времени насчитывается уже более сотни работ по этой тематике. При создании такого компрессора желательно заранее определить параметры капилляра (длина и внутренний диаметр капилляра, а также состав и давление газа), исходя из требуемых значений энергетической эффективности и степени компрессии импульса. Обычно это требует проведения достаточно большого объема расчетов – численно решаются уравнения, описывающие распространение импульса в нелинейной среде. В данной работе была разработана и экспериментально проверена методика аналитического расчета капиллярного компрессора.

В результате работы импульс длительностью 300 фс с длиной волны 1030нм и энергией 150 мкДж нм был сжат в импульс длительностью 15 фс, длиной волны 515 нм и энергии 18мкДж. Энергетическая эффективность преобразования составила 12%.

Комментирует главный научный сотрудник ФИАН, доктор физико-математических наук Петр Георгиевич Крюков:

«Это одна из редких работ – на современном лазерном уровне, в ней сочетаются как высокий уровень технологии, так и самих исследований. Параллельно во всем мире проводятся подобные исследования в очень продвинутых лабораториях. Важно, что здесь использовался уникальнейший лазер, который не покупался где-нибудь, а изготавливался, здесь в России с учетом передовых высоких технологий, лазер, который обеспечивают необходимые стабильность накачки и прецезионность исследований».

Рис. 1. Автокорреляционная функция компрессированного импульса.

В работе использовался фемтосекундный иттербиевый лазер TETA-10 компании «Авеста-Проект», измерение длительности импульсов проводилось с помощью автокоррелятора ASF-20, регистрация спектра – с помощью спектрометра ASP-100M.