Портал создан при поддержке Федерального агентства по печати и массовым коммуникациям.

УДИВИТЕЛЬНАЯ ФИЗИКА СВЕТОВЫХ МГНОВЕНИЙ

Доктор технических наук А. ГОЛУБЕВ

Когда мы употребляем слово "мгновение", то обычно не задумываемся над тем, сколько же оно длится. Подразумевается, что какую-то долю секунды... Особенно наглядно проявляется "мгновенность" в явлениях, связанных со светом. Мы считаем мгновенны ми, например, сверкнувшую молнию или световой "всплеск" лампы-вспышки при фотографировании. В этих случаях свет вспыхивает на сотые или тысячные доли секунды. Но и такие длительности невообразимо велики по сравнению с теми, что достигнуты в современной лазерной физике. Световые вспышки лазеров могут иметь длительность в сто раз меньшую, чем миллионная от миллионной доли секунды! Как же получают и измеряют импульсы света столь фантастически малой длительности и зачем они нужны?

Уже в первые годы развития лазерной техники исследователи стали искать пути получения оптических импульсов как можно меньшей длительности. Такие импульсы требуются во многих областях науки и техники. С их помощью можно изучать быстропротекающие процессы, происходящие при взаимодействии света с веществом, в химических и фотохимических реакциях, в физике плазмы... Кроме фундаментальных исследований существует и немало чисто технических, прикладных задач, требующих возможно более коротких импульсов - например, для создания точных систем измерения времени или длины. Ведь если оптические импульсы использовать как метки времени, то чем меньше их длительность, тем точнее можно измерить интервал между ними (на этом, в частности, основана работа импульсных лазерных дальномеров; см. "Наука и жизнь" № 1, 2002 г.). Кроме того, следует вспомнить, что мощность (в данном случае - светового импульса) равна энергии, деленной на длительность импульса. "Сжимая" импульс в сотни и тысячи раз, получают соответствующий рост его мощности.

История создания коротких световых импульсов начинается с 1962 года (уже через два года после постройки первого лазера), когда были получены импульсы наносекундного диапазона (1 нс = 10-9 с ). Импульсы длительностью в десятки наносекунд излучали твердотельные лазеры с оптической накачкой при работе в так называемом режиме модуляции добротности резонатора.

Обеспечим библиотеки России научными изданиями!

Любой лазер в принципе состоит из трех основных элементов - активной среды, накачки, сообщающей ей способность усиливать световые колебания, и оптического резонатора, образованного двумя параллельными зеркалами, между которыми помещена активная среда. Зеркала резонатора возвращают излучение обратно в активную среду, превращая оптический усилитель в генератор когерентного света - лазер. Одно из зеркал делают частично прозрачным для выхода излучения.

В качестве активной среды твердотельных лазеров наиболее распространены рубин, стекло с примесью редкоземельного металла неодима и иттрий-алюминиевый гранат (также с примесью неодима). Из них наибольшей шириной линии усиления (то есть спектральным диапазоном, в котором может усиливать среда) обладает неодимовое стекло.

Резонатор, как и любая колебательная система, имеет характеристику, называемую добротностью Q. Она показывает, насколько велики потери P в системе, получившей энергию W: Q ~ W/P. Например, колебания маятника с грузиком большого размера затухают быстрее, чем колебания маятника той же массы, но более компактного (из-за большего сопротивления воздуха) - добротность второго маятника выше. Добротность оптических резонаторов очень велика - до 107. Это означает, что при каждом отражении от зеркал светового импульса, возникшего в резонаторе, теряется одна десятимиллионная часть его энергии (для сравнения - добротность колебательного радиоконтура не превышает 102). Но если во время поступления энергии в среду - работа системы накачки - одно зеркало перекрыть затвором, добротность резонатора упадет до нуля, и энергия станет накапливаться в активной среде. Когда ее количество приближается к максимально возможной величине, затвор очень быстро открывается, и вся запасенная энергия высвобождается в виде короткого и мощного импульса излучения. Такие импульсы получили название "гигантских", а способ их получения - режим модуляции добротности. Это очень похоже на то, как если бы высокая плотина, за которой медленно накапливается огромное количество воды, вдруг внезапно исчезла.

Первые затворы для генерации гигантского импульса были механическими. Заднее зеркало (его роль нередко играла призма полного внутреннего отражения) быстро вращалось, и только в моменты, когда оно оказывалось строго параллельным переднему, неподвижному зеркалу, возникала генерация. Однако механический затвор не позволял получать импульсы короче 10-4 секунды, был технически неудобен, и на смену ему пришли другие конструкции. Например, между активной средой и задним зеркалом помещали алюминиевую фольгу толщиной 0,25 микрона, которая взрывалась под действием электрического импульса (активный затвор) или энергии излучения активной среды (пассивный). Этот способ модуляции добротности методом прожигания или взрывающейся пленки позволял получать импульс длительностью до одной десятой микросекунды (10-7с). Но наиболее широкое распространение получили затворы оптические.

Оптические затворы не имеют подвижных частей; ими управляют короткие электрические или акустические импульсы, переключающие их уже за 10-9-10-10 секунды, позволяя получать световые вспышки наносекундной длительности. Называют их соответственно электрооптичес кими и акустооптическими. Еще один класс затворов - так называемые фототропные; они не требуют и управляющего сигнала. Их действие основано на свойстве некоторых веществ увеличивать прозрачность с ростом интенсивности падающего излучения (подобный принцип, но с "обратным знаком" и малым быстродействием используется в известных всем очках с фотохромными стеклами). Это наиболее простой вариант затвора: достаточно лишь поместить внутрь резонатора кювету с просветляющейся жидкостью. После вспышки жидкость сама возвращается в непросветленное состояние и "ждет" очередного импульса.

Следующим шагом на этом пути стало создание в сотни и в тысячи раз более коротких импульсов - сначала в десятки, а затем и в единицы пикосекунд (1 пс = 10-12 с). За одну пикосекунду свет, распространяющийся с огромной скоростью - почти 300 тысяч км/с, проходит всего 0,3 мм. Создание пикосекундных лазеров (они появились в 1965 году) стало возможным благодаря применению так называемого режима синхронизации мод.

Модами называют типы колебаний, которые могут возбуждаться в оптическом резонаторе лазера. Их обычно бывает очень много, но сейчас нас интересуют только те, которые укладываются целое число раз на двойной длине резонатора 2L (так называемые продольные моды). Соответствующие им частоты расположены через одинаковые интервалы, равные с/2L, где с - скорость света в резонаторе , L - длина резонатора. Однако фазы этих мод принимают произвольные значения, и для генерации сверхкоротких импульсов, помимо получения большого количества мод, приходится все их синхронизировать . При этом возникает интерференция, приводящая к резкому перераспределению энергии в лазерном излучении - в одних участках пространства наблюдается чрезвычайно сильная концентрация энергии, а в других ее практически не остается совсем. В результате формируются последовательности сверхкоротких импульсов исключительно большой мощности. Длительность каждого импульса обратно пропорциональна числу синхронизированных мод, а мощность прямо пропорциональна его квадрату.

Этот режим, вообще говоря, осуществляется теми же средствами, что и режим модуляции добротности - в резонатор лазера помещается электрооптический или фототропный затвор, - но действуют они по-другому. На электрооптический затвор подается не короткий перепад напряжения (который открывал затвор), а периодический сигнал, обычно синусоидальной формы, с частотой, примерно равной с/2L, а использование фототропного затвора (просветляющегося фильтра) по-прежнему не требует управляющего сигнала. Метод с использованием электрооптического (или акустооптического) затвора называют активной синхронизацией мод, а с использованием просветляющегося фильтра - пассивной синхронизацией. При активной синхронизации мод затвор работает в режиме модулятора с частотой с/2L. При пассивной синхронизации действует другой механизм, который в упрощенной форме сводится к следующему. Когда импульс света проходит через просветляющийся фильтр, "хвосты" импульса, имеющие малую интенсивность, ослабляются в нем из-за поглощения, а вершина импульса с большой интенсивностью проходит - импульс становится узким. Этот процесс повторяется с периодом Т = 2L/с, и на выходе образуется последовательность мощных пикосекундных импульсов. Одновременно с синхронизацией мод имеет место и модуляция добротности резонатора. Пассивная синхронизация мод технически намного проще, чем активная.

Первым поколением пикосекундных лазеров были твердотельные лазеры с просветляющимся поглотителем, обеспечивающим пассивную синхронизацию мод; они могут генерировать импульсы длительностью до 10 пс. Второе поколение составляют лазеры, в которых активная среда - растворы органических красителей. Лазеры на красителях имеют огромную ширину полосы усиления (15-20 нм, или, в единицах частоты, порядка 100 ТГц), позволяя перестраивать длину волны в широком диапазоне. Применение в таких лазерах просветляющихся поглотителей позволило получить импульсы длительностью до 0,5 пс.

Однако для исследования многих быстропротекающих процессов требуются еще более короткие импульсы, входящие в фемтосекундный диапазон (1 фс = 10-15 с). Прорыв в фемтосекундную область впервые осуществлен с лазером непрерывного действия на красителе, когда удалось получить импульсы длительностью 0,1 пс, то есть 100 фс. И тут исследователям пришлось столкнуться с весьма специфическими явлениями.

Импульс малой длительности имеет очень широкий спектр. В диспергирующей среде отдельные части спектра движутся с различными групповыми скоростями , и при нормальной дисперсии длинноволновые составляющие движутся быстрее коротковолновых, при аномальной - наоборот. В результате интервалы между составляющими различных частот становятся неодинаковыми - импульс расплывается.

В случае нормальной дисперсии среды частота увеличивается от начала импульса к его концу. Чтобы устранить растяжение импульса, нужно пропустить его через среду с дисперсией аномальной, имеющей обратный знак. Было обнаружено, что этого же можно добиться при помощи призм или дифракционных решеток, традиционно используемых в спектроскопии для пространственного разделения частот. Длинноволновые составляющие переднего фронта импульса задерживаются по отношению к коротковолновым составляющим заднего его фронта, задний фронт "догоняет" передний, импульс сжимается.

Так удалось получить от лазеров на красителях импульсы длительностью примерно 50 фс. При этом образуется нечто вроде оптических солитонов (см. "Наука и жизнь" № 11, 2001 г.) - волновых пакетов, распространяющихся без изменения формы на расстояния, превышающие собственную длину импульса в 106-107 раз.

Дальнейшее развитие фемтосекундных лазеров связано с использованием нелинейных свойств среды, возникающих в поле мощного лазерного излучения. К 1990 году был реализован новый способ пассивной синхронизации мод без просветляющегося поглотителя - самосинхронизация. О том, как в этом случае получают фемтосекундные импульсы, рассказано, например, в статье академика В. Летохова (см. "Наука и жизнь" № 9, 1995 г.).

Нелинейные свойства среды проявляются в том, что ее показатель преломления n начинает зависеть от интенсивности излучения I. Интенсивность пропорциональна квадрату амплитуды поля A2, и эту зависимость обычно записывают в виде n = no + n2A2 (оптический эффект Керра). Здесь no - "обычный" показатель преломления (имеющий место при малых интенсивностях света), а второе слагаемое - нелинейная добавка, определяющая изменение показателя преломления под влиянием мощного излучения. Вследствие этой "керровской не линейности" возникают самофокусировка пучка, фазовая модуляция и сжатие импульсов, часто объединяемые термином "самовоздействие".

Впервые эффекты нелинейных свойств среды использовали для получения сверхкоротких импульсов в лазере непрерывного действия на титан-сапфире. Эти лазеры третьего поколения могут генерировать импульсы длительностью от десятков фемтосекунд до 5-6 фс (такие предельные значения соответствуют двум-трем периодам световых колебаний).

Но самый короткий световой импульс получен два года назад исследователями из берлинского Института Макса Борна тоже с использованием лазера на титан-сапфире. Длительность полученного импульса составляет 3,8 фс, и группа физиков, осуществившая эксперимент, надеется уменьшить ее до 1-2 фс.

Пикосекундные и особенно фемтосекундные оптические импульсы открывают широкие возможности для исследования быстропротекающих процессов в физике, химии, биологии и других областях науки. Фемтосекундные импульсы, например, используют для создания электромагнитных полей с напряженностью выше внутриатомного. Ведутся интенсивные исследования по созданию оптических компьютеров, в которых применение фемтосекундных импульсов с гигагерцовой частотой повторения сулит резкое увеличение объема и быстродействия компьютерной памяти. С этой областью связаны разработки "памяти на стекле", ведущиеся в Японии. Около трех лет назад обнаружили, что, если сфокусировать фемтосекундный импульс на стекло, содержащее редкоземельный элемент самарий, в точку диаметром около 400 нм, она начинает светиться, оставаясь при этом прозрачной. Светящиеся точки могут размещаться на поверхности самариевого стекла на расстоянии 100 нм одна от другой и располагаться послойно. Компания "Central Glass", выпускающая подобное стекло, создала эквивалент 2000 уровней точек в одном его кубическом сантиметре, которые можно считывать по отдельности. Это позволяет хранить в нем 1 терабайт (1012 байт) данных. Фемтосекундные лазеры станут также основой новой технологии широкополосной связи, способной за секунду передать несколько терабайт информации.

Из новейших применений можно указать на исследования по созданию фемтосекундных "оптических часов" - стандартов частоты, а значит, и времени. А с учетом принятого в 1983 году нового определения метра, связанного с единицей времени и скоростью света в вакууме, оптические часы становятся и "оптическим метром", позволяя реализовать единый эталон времени - частоты - длины. Фемтосекундная техника позволяет разработать методы высокоточного измерения оптических частот для метрологических применений. В их основе лежит способность фемтосекундного лазера с синхронизацией мод генерировать широкий спектр частот, лежащих на равных расстояниях одна от другой с точностью до 10-16. Они образуют линейку, обладающую высокой стабильностью.

В Институте лазерной физики Сибирского отделения РАН впервые созданы малогабаритные фемтосекундные оптические часы на основе титан-сапфирового лазера, генерирующего импульсы длительностью 10 фс со стабильностью 10-14 за 100 секунд.

В заключение следует сказать, что в настоящее время мы находимся на пороге очередного прорыва в следующий диапазон - аттосекундный. Аттосекунда в тысячу раз меньше фемтосекунды, то есть 1 ас = 10-18 с. Обсуждаются возможные способы генерации аттосекундных импульсов на быстро ионизуемых атомах в полях сверхкоротких оптических импульсов. В видимом диапазоне спектра продвинуться в аттосекундную область принципиально невозможно, однако это вполне реально в дальнем ультрафиолете и мягком рентгеновском излучении. Но как же измерить длительность столь неимоверно короткого импульса? В одной из теоретических работ предложено возможное решение этой задачи с использованием двойной ионизации гелиевой плазмы, служащей мишенью. По расчетам авторов, можно измерять длительность импульсов до 400 ас, а меняя некоторые параметры, уменьшить эту величину в несколько раз. С физическим механизмом предложенного решения можно ознакомиться в статье, опубликованной в журнале "Physical Review Letters", v.86, p.412 (2001).

Лазер, этот удивительный прибор, созданный полвека назад, продолжает совершенствовать ся и открывает поистине неисчерпаемые возможности своего применения в самых разных областях науки и техники.



Случайная статья


Другие статьи из рубрики «Беседы об основах наук»

Детальное описание иллюстрации

Добротность колебательной системы показывает, насколько велики потери энергии в ней. Чем выше сопротивление воздуха, тем быстрее затухают колебания маятника, тем меньше его добротность.
Действие фототропных модуляторов добротности основано на резонансном поглощении излучения растворами органических красителей или стеклами с примесью сульфида кадмия. Слабый световой поток эти вещества практически полностью поглощают, но с ростом его интенсивности становятся почти прозрачными. Происходит это потому, что фотоны излучения, возникшие в активной среде, тратят всю свою энергию на возбуждение атомов вещества, переводя их на более высокий метастабильный уровень. Как только подавляющее большинство атомов оказывается на верхнем уровне, поглощение прекращается и добротность резонатора восстанавливается. Примерно через миллисекунду (10-3 с) атомы возвращаются в основное состояние, и затвор снова готов к работе. Фототропный модулятор позволяет получать импульсы длительностью порядка 10-10-10-12 секунды.
Образование импульсов при синхронизации мод на примере сложения трех синусоидальных колебаний, частоты которых различаются на величину с/2L (три соседние моды). А. Фазы колебаний произвольны в момент t = 0 (моды не синхронизированы). Б. Фазы всех колебаний при t = 0 одинаковы (моды синхронизированы). Совпадение фаз повторяется через интервалы времени T = 2L/с, через время, за которое свет проходит резонатор "туда и обратно". В моменты совпадения фаз происходит образование мощных импульсов, следующих с частотой с/2L, а длительность каждого импульса в общем случае оказывается в N (число мод) раз меньше Т. Например, при L = 150 см и N = 1000 длительность импульса t = 10 пс.
Акустооптические затворы и модуляторы используют способность света дифрагировать на звуковых волнах в жидкости и стекле. Пьезоэлектрический вибратор, подключенный к генератору высокой частоты, создает в материале модулятора "гребенку" стоячих продольных волн сжатия, которые играют роль дифракционной решетки. Она отклоняет излучение активной среды, резко понижая добротность резонатора. При выключении управляющего напряжения затвор открывается, и лазер генерирует импульс длительностью 10-6-10-7 секунды.
Сверхкороткий лазерный импульс воздействует на вещество совсем иначе, чем длинный. Так, излучение обычного импульсного лазера зажигает спичечную головку, а сильно сжатый, "гигантский импульс" пробивает ее, подобно пуле, - горючий состав не успевает вспыхнуть.
Наиболее сильно сжать импульс удается, применяя дифракционные решетки. Материал активной среды, которая генерирует свет, обладает дисперсией - низкочастотные составляющие импульса движутся медленнее высокочастотных, ширина импульса растет. Дифракционная решетка задерживает низкие частоты, задний фронт импульса догоняет передний, импульс сжимается до фемтосекундной длительности (порядка 10-14 с).
Импульсы длительностью около 10-10 секунды дают модуляторы добротности, основанные на повороте плоскости поляризации света в веществе при наложении на него поперечного электрического (эффекты Керра и Поккельса) или продольного магнитного поля (эффект Фарадея). Поляризованное излучение активной среды не проходит сквозь модулятор, пока на него не поступит управляющее напряжение. Быстродействие этих затворов чрезвычайно велико - они срабатыва ют за 10-13 секунды.
Измерение длительности импульса методом двухфотонной люминесценции. Лазерный импульс расщепляется пополам, и два вторичных импульса встречаются в кювете с люминесцирующей жидкостью (А). Свечение возникает только при их сложении (Б).