В Физическом институте им. П. Н. Лебедева (ФИАН) проведена серия экспериментов по сжатию лазерных импульсов. 300-фемтосекундный импульс излучения иттербиевого лазера с длиной волны 1 030 нм и энергией 150 мкДж был преобразован в импульс длительностью 15 фемтосекунд с длиной волны 515 нм. 

В работе участвовала троицкая компания «Авеста-Проект», намеревающаяся использовать новую технологию сжатия импульсов для создания новых лазеров.

Фемтосекундные лазеры широко применяются в различных областях науки, техники и медицины. Сверхкороткие импульсы особенно важны в целом ряде практических приложений (начиная с тех же высокоточных атомных часов). Фемтосекундные лазеры с активными элементами, легированными ионами иттербия (иттербиевые лазеры), хороши в силу удачного сочетания относительно высокой средней мощности и эффективности, реализуемой при диодной накачке. Эти компактные системы считаются сегодня самыми надёжными и эффективными; их используют в качестве задающего генератора в усилительных системах, для многофотонной микроскопии, сверхбыстрой спектроскопии, для генерации терагерцевого излучения, оптической когерентной томографии и т. п. Но не обходится и без недостатков. Так, до сих пор с помощью иттербиевых лазеров нельзя было получить импульс короче порядка 300 фс, имеющий при этом энергию 1–10 мкДж.

В Лаборатории применения лазеров (Троицк) для сжатия импульса использовались эффекты нелинейной оптики, в частности генерация второй гармоники — явление рождения вторичных электромагнитных волн удвоенной частоты в результате нелинейного взаимодействия электромагнитной волны с веществом. Сфокусированное мощное излучение фемтосекундного иттербиевого лазера запускалось в полый цилиндрический световод (капилляр), заполненный ксеноном (для капилляра необходимо заполнение инертным газом) под давлением в несколько атмосфер. Благодаря отражению света при скользящем падении на внутренние стенки капилляра световой пучок сохранял высокую интенсивность при распространении внутри капилляра, а собственно сжатие осуществлялось на основе нелинейного эффекта уширения спектра импульса.

Общая схема генерации второй гармоники: через кристалл c нелинейными оптическими свойствами, а затем через призму лазер передаёт 12% энергии импульса вторичному импульсу удвоенной частоты (справа вверху). (Изображение Википедии.)

Исследование комментирует его непосредственный участник, ведущий научный сотрудник Леонид 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 временнóм компрессоре, и длительность лазерного импульса сокращается. Мы построили компрессор, в котором сжатие проводилось в два этапа: вначале при уширении спектра в капилляре, а затем при уширении спектра в процессе генерации второй гармоники».

Первые исследования по компрессии лазерных импульсов в капилляре относятся ко второй половине 1990 годов; сегодня количество таких работ перевалило за сотню. При создании компрессора нужно заранее определить параметры капилляра (длина и внутренний диаметр, а также состав и давление газа), исходя из требуемых значений энергоэффективности и степени сжатия импульса. Обычно это требует внушительных расчётов (численного решения уравнений, описывающих распространение импульса в нелинейной среде). В нынешнем исследовании была разработана и экспериментально проверена новая методика аналитического расчёта капиллярного компрессора.

И вот итог: импульс длительностью 300 фс с длиной волны 1 030 нм и энергией 150 мкДж был сжат в импульс длительностью 15 фс с длиной волны 515 нм и энергией 18 мкДж. Энергетическая эффективность преобразования составила 12%.

Автокорреляционная функция компрессированного импульса. (Изображение ФИАН.)

Коллеги высоко оценили это достижение. Главный научный сотрудник ФИАНа Пётр Крюков считает, что «это одна из редких работ на современном лазерном уровне, в которой сочетаются как высокий уровень технологии, так и самих исследований». Важно и то, что здесь использовался уникальнейший лазер, который не покупался где-нибудь, а изготавливался в России, полагает учёный.