Ультракороткий импульс

В оптике , ультракороткий импульс также известный как сверхбыстрое событие , представляет собой электромагнитный импульс , длительность которого составляет порядка пикосекунды (10 ⁻¹² второй) или меньше. Такие импульсы имеют широкополосный оптический спектр и могут создаваться генераторами с синхронизацией мод . Усиление ультракоротких импульсов почти всегда требует применения метода усиления чирпированных импульсов , чтобы избежать повреждения активной среды усилителя.

Они характеризуются высокой пиковой интенсивностью (или, правильнее, облученностью ), что обычно приводит к нелинейным взаимодействиям в различных материалах, включая воздух. Эти процессы изучаются в области нелинейной оптики .

В специальной литературе под «ультракороткими» понимаются фемтосекундный (фс) и пикосекундный (пс) диапазоны, хотя такие импульсы уже не являются рекордсменами по кратчайшим искусственно генерируемым импульсам. о рентгеновских импульсах длительностью в аттосекундном Действительно, сообщалось масштабе времени.

1999 года Нобелевская премия по химии была присуждена Ахмеду Зеваилу за использование ультракоротких импульсов для наблюдения химических реакций в тех временных масштабах, в которых они происходят. открытие области фемтохимии . Еще одна Нобелевская премия, Нобелевская премия по физике 2023 года , также была присуждена за ультракороткие импульсы. Эта премия была присуждена Пьеру Агостини , Ференцу Краусу и Анне Л'Юйе за разработку аттосекундных импульсов и их способность исследовать динамику электронов.

Определение

Ультракороткий световой импульс с положительным чирпом во временной области.

Стандартного определения ультракороткого импульса не существует. Обычно атрибут «сверхкороткий» применяется к импульсам длительностью несколько десятков фемтосекунд, но в более широком смысле любой импульс длительностью менее нескольких пикосекунд можно считать сверхкоротким. Различие между «сверхкоротким» и «сверхбыстрым» необходимо, поскольку скорость распространения импульса является функцией показателя преломления среды, через которую он проходит, тогда как «сверхкороткий» относится к временной ширине импульсного волнового пакета .

Типичным примером является чирпированный гауссов импульс, волна которой , амплитуда поля соответствует Гаусса огибающей , а мгновенная фаза имеет развертку по частоте .

Фон

Реальное электрическое поле, соответствующее ультракороткому импульсу, колеблется с угловой частотой ω _0, соответствующей центральной длине волны импульса. комплексное поле E ( t Для облегчения расчетов определяется ). Формально он определяется как аналитический сигнал, соответствующий реальному полю.

Центральная угловая частота ω ₀ обычно явно записывается в комплексном поле, которое можно разделить как временную функцию интенсивности I ( t ) и временную фазовую функцию ψ ( t ):

$E(t)={\sqrt {I(t)}}e^{i\omega _{0}t}e^{i\psi (t)}$

Выражение комплексного электрического поля в частотной области получается из Фурье преобразования E ( t ):

$E(\omega )={\mathcal {F}}(E(t))$

Из-за присутствия $e^{i\omega _{0}t}$ В термине E ( ω ) центрируется вокруг ω ₀ , и общепринятой практикой является обращение к E ( ω - ω ₀ ), записывая просто E ( ω ), что мы и сделаем в оставшейся части этой статьи.

Как и во временной области, интенсивность и фазовую функцию можно определить в частотной области:

$E(\omega )={\sqrt {S(\omega )}}e^{i\phi (\omega )}$

Количество $S(\omega )$ — спектральная плотность мощности (или просто спектр ) импульса, а $\phi (\omega )$ — фазовая спектральная плотность (или просто спектральная фаза ). Пример спектральных фазовых функций включает случай, когда $\phi (\omega )$ является константой, и в этом случае импульс называется импульсом с ограниченной полосой пропускания , или где $\phi (\omega )$ является квадратичной функцией, и в этом случае импульс называется чирпированным из-за наличия мгновенной развертки частоты. Такой чирп может возникать при распространении импульса через материалы (например, стекло) и возникает из-за их дисперсии . Это приводит к временному уширению пульса.

Функции интенсивности – временные $I(t)$ и спектральный $S(\omega )$ – определить временную длительность и ширину полосы спектра импульса. Как указано в принципе неопределенности , их произведение (иногда называемое произведением ширины полосы времени) имеет нижнюю границу. Это минимальное значение зависит от определения длительности и формы импульса. Для данного спектра минимальное произведение временной полосы пропускания и, следовательно, самый короткий импульс получается с помощью импульса, ограниченного преобразованием, т. е. для постоянной спектральной фазы. $\phi (\omega )$. С другой стороны, высокие значения произведения ширины полосы пропускания указывают на более сложный импульс.

Контроль формы импульса

Хотя оптические устройства, также используемые для непрерывного света, такие как расширители луча и пространственные фильтры, могут использоваться для ультракоротких импульсов, некоторые оптические устройства были специально разработаны для ультракоротких импульсов. Один из них — импульсный компрессор , устройство, с помощью которого можно управлять спектральной фазой ультракоротких импульсов. Он состоит из последовательности призм или решеток. При правильной настройке он может изменить спектральную фазу φ ( ω ) входного импульса так, чтобы выходной импульс представлял собой импульс с ограниченной полосой пропускания и минимально возможной продолжительностью. Формирователь импульсов можно использовать для более сложных изменений как фазы, так и амплитуды ультракоротких импульсов.

Для точного управления импульсом необходима полная характеристика спектральной фазы импульса, чтобы получить определенную спектральную фазу импульса (например, с ограничением преобразования ). Затем пространственный модулятор света для управления импульсом можно использовать в плоскости 4f. Фазовое сканирование многофотонной внутриимпульсной интерференции (MIIPS) — это метод, основанный на этой концепции. Посредством фазового сканирования пространственного модулятора света MIIPS может не только определять характеристики, но и манипулировать ультракороткими импульсами, чтобы получить необходимую форму импульса в целевой точке (например, импульс с ограниченным преобразованием для оптимизации пиковой мощности и другие конкретные формы импульса). Если формирователь импульсов полностью откалиброван, этот метод позволяет управлять спектральной фазой ультракоротких импульсов с помощью простой оптической установки без движущихся частей. Однако точность MIIPS несколько ограничена по сравнению с другими методами, такими как оптическое стробирование с частотным разрешением (FROG).

Методы измерения

Существует несколько методов измерения ультракоротких оптических импульсов.

интенсивности Автокорреляция дает ширину импульса, когда предполагается определенная форма импульса.

Спектральная интерферометрия (СИ) — это линейный метод, который можно использовать, когда доступен заранее охарактеризованный эталонный импульс. Это придает интенсивность и фазу. Алгоритм, который извлекает интенсивность и фазу из сигнала SI, является прямым. Спектральная фазовая интерферометрия для прямой реконструкции электрического поля (SPIDER) — это метод нелинейной самореференции, основанный на интерферометрии спектрального сдвига. Этот метод аналогичен SI, за исключением того, что опорный импульс является своей спектрально-сдвинутой копией, что позволяет получить спектральную интенсивность и фазу зондирующего импульса с помощью процедуры прямой фильтрации БПФ, аналогичной SI, но которая требует интегрирования фазы. извлекается из интерферограммы для получения фазы зондирующего импульса.

Оптическое стробирование с частотным разрешением (FROG) — это нелинейный метод, который определяет интенсивность и фазу импульса. Это спектрально разрешенная автокорреляция. Алгоритм, извлекающий интенсивность и фазу из трассы FROG, является итеративным. Серьезное наблюдение сверхбыстро падающих электронных полей лазерного света с устранением решеток ( GRENOUILLE ) представляет собой упрощенную версию FROG. ( Гренуй по-французски означает « лягушка ».)

ЛЧМ-сканирование — это метод, аналогичный MIIPS , который измеряет спектральную фазу импульса, применяя линейное изменение квадратичных спектральных фаз и измеряя спектры второй гармоники. Что касается MIIPS, который требует множества итераций для измерения спектральной фазы, то для определения как амплитуды, так и фазы импульса необходимы только два сканирования с чирпом.

Фазовое сканирование многофотонной внутриимпульсной интерференции (MIIPS) - это метод определения характеристик ультракоротких импульсов и управления ими.

Распространение волновых пакетов в неизотропных средах

Частично повторяя обсуждение выше, можно сказать, что приближение медленно меняющейся огибающей (SVEA) электрического поля волны с центральным волновым вектором ${\textbf {K}}_{0}$ и центральная частота $\omega _{0}$ пульса определяется по формуле:

${\textbf {E}}({\textbf {x}},t)={\textbf {A}}({\textbf {x}},t)\exp(i{\textbf {K}}_{0}{\textbf {x}}-i\omega _{0}t)$

Рассматривается распространение СВЭА электрического поля в однородной дисперсионной неизотропной среде. Предполагая, что импульс распространяется в направлении оси z, можно показать, что огибающая ${\textbf {A}}$ для одного из наиболее общих случаев, а именно для двухосного кристалла, определяется УЧП :

${\frac {\partial {\textbf {A}}}{\partial z}}=~-~\beta _{1}{\frac {\partial {\textbf {A}}}{\partial t}}~-~{\frac {i}{2}}\beta _{2}{\frac {\partial ^{2}{\textbf {A}}}{\partial t^{2}}}~+~{\frac {1}{6}}\beta _{3}{\frac {\partial ^{3}{\textbf {A}}}{\partial t^{3}}}~+~\gamma _{x}{\frac {\partial {\textbf {A}}}{\partial x}}~+~\gamma _{y}{\frac {\partial {\textbf {A}}}{\partial y}}$

$~~~~~~~~~~~~+~i\gamma _{tx}{\frac {\partial ^{2}{\textbf {A}}}{\partial t\partial x}}~+~i\gamma _{ty}{\frac {\partial ^{2}{\textbf {A}}}{\partial t\partial y}}~-~{\frac {i}{2}}\gamma _{xx}{\frac {\partial ^{2}{\textbf {A}}}{\partial x^{2}}}~-~{\frac {i}{2}}\gamma _{yy}{\frac {\partial ^{2}{\textbf {A}}}{\partial y^{2}}}~+~i\gamma _{xy}{\frac {\partial ^{2}{\textbf {A}}}{\partial x\partial y}}+\cdots$

где коэффициенты содержат эффекты дифракции и дисперсии, которые были определены аналитически с помощью компьютерной алгебры и проверены численно с точностью до третьего порядка как для изотропных, так и для неизотропных сред, действительных в ближнем и дальнем поле. $\beta _{1}$ является обратной проекцией групповой скорости. Срок в $\beta _{2}$ групповой скорости – дисперсия (ДГС) или дисперсия второго порядка; он увеличивает длительность импульса и изменяет его по мере распространения через среду. Срок в $\beta _{3}$ представляет собой дисперсионный член третьего порядка, который может еще больше увеличить длительность импульса, даже если $\beta _{2}$ исчезает. Условия в $\gamma _{x}$ и $\gamma _{y}$ описать затухание пульса; коэффициент $\gamma _{x}~(\gamma _{y})$ – отношение компоненты групповой скорости $x~(y)$ и единичный вектор в направлении распространения импульса (ось z). Условия в $\gamma _{xx}$ и $\gamma _{yy}$ описывают дифракцию оптического волнового пакета в направлениях, перпендикулярных оси распространения. Условия в $\gamma _{tx}$ и $\gamma _{ty}$ содержащие смешанные производные во времени и пространстве, вращают волновой пакет вокруг $y$ и $x$ оси соответственно увеличивают временную ширину волнового пакета (помимо увеличения за счет ДГС), увеличивают дисперсию $x$ и $y$ направлениях соответственно и увеличить чирп (помимо того, что из-за $\beta _{2}$), когда последнее и/или $\gamma _{xx}$ и $\gamma _{yy}$ неисчезают. Термин $\gamma _{xy}$ вращает волновой пакет в $x-y$ самолет. Как ни странно, из-за ранее неполных разложений такое вращение импульса не было реализовано до конца 1990-х годов, но было экспериментально подтверждено. Обнаружено, что в третьем порядке правая часть приведенного выше уравнения имеет следующие дополнительные члены для случая одноосного кристалла:

$\cdots ~+~{\frac {1}{3}}\gamma _{txx}{\frac {\partial ^{3}{\textbf {A}}}{\partial x^{2}\partial t}}~+~{\frac {1}{3}}\gamma _{tyy}{\frac {\partial ^{3}{\textbf {A}}}{\partial y^{2}\partial t}}~+~{\frac {1}{3}}\gamma _{ttx}{\frac {\partial ^{3}{\textbf {A}}}{\partial t^{2}\partial x}}+\cdots$

Первое и второе слагаемые отвечают за кривизну распространяющегося фронта импульса. Эти термины, включая термин в $\beta _{3}$ присутствуют в изотропной среде и определяют сферическую поверхность распространяющегося фронта, исходящего от точечного источника. Термин $\gamma _{txx}$ можно выразить через показатель преломления, частоту $\omega$ и их производные, а также термин $\gamma _{ttx}$ также искажает пульс, но таким образом, что меняет роли $t$ и $x$ (подробнее см. ссылку Триппенбаха, Скотта и Бэнда). До сих пор подход здесь линейный, но нелинейные дисперсионные термины широко распространены в природе. Исследования с дополнительным нелинейным членом $\gamma _{nl}|A|^{2}A$ показали, что такие условия оказывают глубокое влияние на волновой пакет, включая, среди прочего, самоуглубление волнового пакета. Нелинейные аспекты в конечном итоге приводят к оптическим солитонам .

Несмотря на то, что SVEA довольно распространен, он не требует формулировки простого волнового уравнения, описывающего распространение оптических импульсов. В действительности, как показано в, даже очень общая форма электромагнитного волнового уравнения второго порядка может быть разложена на направленные компоненты, обеспечивая доступ к единому волновому уравнению первого порядка для самого поля, а не для огибающей. Для этого необходимо лишь предположить, что эволюция поля происходит медленно в масштабе длины волны и вообще не ограничивает полосу пропускания импульса, что наглядно продемонстрировано.

Высокие гармоники

Ультракороткие импульсы высокой энергии можно генерировать посредством генерации высоких гармоник в нелинейной среде . множество гармоник Ультракороткий импульс высокой интенсивности будет генерировать в среде выбирается конкретная интересующая гармоника ; затем с помощью монохроматора . Этот метод использовался для получения ультракоротких импульсов в режимах крайнего ультрафиолета и мягкого рентгеновского излучения из импульсов ближнего инфракрасного титан-сапфирового лазера .

Приложения

Усовершенствованная 3D-микро-/нанообработка материалов

Способность фемтосекундных лазеров эффективно изготавливать сложные структуры и устройства для широкого спектра применений широко изучалась в течение последнего десятилетия. Современные методы лазерной обработки ультракороткими световыми импульсами могут использоваться для структурирования материалов с субмикрометровым разрешением. Прямая лазерная запись (DLW) подходящих фоторезистов и других прозрачных сред позволяет создавать сложные трехмерные фотонные кристаллы (PhC), микрооптические компоненты, решетки, каркасы тканевой инженерии (TE) и оптические волноводы. Такие структуры потенциально полезны для расширения возможностей приложений следующего поколения в области телекоммуникаций и биоинженерии, которые основаны на создании все более сложных миниатюрных деталей. Точность, скорость изготовления и универсальность сверхбыстрой лазерной обработки делают ее жизненно важным промышленным инструментом для производства.

Микрообработка

Среди применений фемтосекундного лазера были проведены эксперименты по микротекстурированию поверхностей имплантатов для улучшения формирования кости вокруг циркониевых зубных имплантатов. Метод продемонстрировал свою точность с очень низким термическим повреждением и уменьшением загрязнения поверхности. Исследования на задних животных показали, что увеличение кислородного слоя, а также микро- и наноструктур, создаваемых микротекстурированием фемтосекундным лазером, приводит к более высокой скорости костеобразования, более высокой плотности кости и улучшению механической стабильности.

Многофотонная полимеризация

Многофотонная полимеризация (MPP) выделяется своей способностью создавать микро- и наноструктуры с исключительной точностью. Этот процесс использует концентрированную мощность фемтосекундных лазеров для инициирования строго контролируемых реакций фотополимеризации, создавая детальные трехмерные конструкции. Эти возможности делают MPP незаменимым при создании сложных геометрических фигур для биомедицинских применений, включая тканевую инженерию и производство микроустройств, подчеркивая универсальность и точность лазеров ультракоротких импульсов в передовых производственных процессах.

См. также

• Аттосекундная хроноскопия
• Импульс с ограниченной полосой пропускания
• Фемтохимия
• Частотная гребенка
• Медицинская визуализация : ультракороткие лазерные импульсы используются в многофотонных флуоресцентных микроскопах.
• Оптическая связь (Ультракороткие импульсы) Фильтрация и формирование импульсов.
• Генерация и обнаружение терагерцовых (Т-лучей).
• Сверхбыстрая лазерная спектроскопия
• Ультракороткоимпульсный лазер
• Волновой пакет

Дальнейшее чтение

• Хирлиманн, К. (2004). «Импульсная оптика». В Рюльере, Клод (ред.). Фемтосекундные лазерные импульсы: принципы и эксперименты (2-е изд.). Нью-Йорк: Спрингер. ISBN  0-387-01769-0 .
• Эндрю М. Вайнер (2009). Сверхбыстрая оптика . Хобокен, Нью-Джерси: Уайли. ISBN  978-0-471-41539-8 .
• Дж. К. Дильс и В. Рудольф (2006). Явления сверхкоротких лазерных импульсов . Нью-Йорк, Академ. ISBN  978-0-12-215493-5 .

Внешние ссылки

• Виртуальная фемтосекундная лаборатория Lab2
• Анимация распространения короткого импульса в случайной среде (YouTube)
• Сверхбыстрые лазеры: анимированное руководство по работе титан-сапфировых лазеров и усилителей.