Ультракороткий импульс

В оптике , сверхкороткие импульсы света является электромагнитным импульсом времени , длительность которого составляет порядка пикосекундных (10 ^-12 секунды) или меньше. Такие импульсы имеют широкополосный оптический спектр и могут создаваться генераторами с синхронизацией мод . Их обычно называют сверхбыстрыми событиями. Для усиления ультракоротких импульсов почти всегда требуется техника усиления чирпированных импульсов , чтобы избежать повреждения активной среды усилителя.

Для них характерна высокая пиковая интенсивность (или, точнее, яркость ), что обычно приводит к нелинейным взаимодействиям в различных материалах, включая воздух. Эти процессы изучаются в области нелинейной оптики .

В специализированной литературе термин «ультракороткий» относится к фемтосекундному (фс) и пикосекундному (пс) диапазонам, хотя такие импульсы уже не являются рекордными для самых коротких импульсов, генерируемых искусственно. Действительно, сообщалось об импульсах рентгеновского излучения с длительностью в аттосекундной шкале времени.

Нобелевская премия по химии 1999 г. была присуждена Ахмеду Х. Зеваилу за использование ультракоротких импульсов для наблюдения за химическими реакциями в те временные рамки, в которых они происходят, что открыло область фемтохимии .

Определение [ править ]

Положительно чирпированный ультракороткий импульс света во временной области.

Стандартного определения УКИ нет. Обычно атрибут «ультракороткий» применяется к импульсам с временной продолжительностью в несколько десятков фемтосекунд, но в более широком смысле любой импульс, который длится менее нескольких пикосекунд, может считаться сверхбыстрым. ^[1]

Типичным примером является чирпированный гауссов импульс, волна , амплитуда поля которой соответствует гауссовой огибающей, а мгновенная фаза имеет качание частоты .

Фон [ править ]

Реальное электрическое поле, соответствующее ультракороткому импульсу, колеблется с угловой частотой ω _0, соответствующей центральной длине волны импульса. Для облегчения вычислений определяется комплексное поле E ( t ). 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 ):

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

Выражение комплексного электрического поля в частотной области получается из преобразования Фурье из Е ( т ):

${\ Displaystyle Е (\ omega) = {\ mathcal {F}} (Е (т))}$

Из-за наличия члена E ( ω ) сосредоточено вокруг ω ₀ , и обычно для обозначения E ( ω - ω ₀ ) пишут просто E ( ω ), что мы и будем делать в остальной части Эта статья.${\ displaystyle e ^ {я \ omega _ {0} t}}$

Как и во временной области, интенсивность и фазовая функция могут быть определены в частотной области:

${\ Displaystyle Е (\ омега) = {\ sqrt {S (\ omega)}} е ^ {я \ фи (\ омега)}}$

Величина - это спектральная плотность интенсивности (или просто спектр ) импульса, а также фазовая спектральная плотность (или просто спектральная фаза ). Примеры спектральных фазовых функций включают случай, когда - константа, и в этом случае импульс называется импульсом с ограниченной полосой пропускания , или где - квадратичная функция, и в этом случае импульс называется чирпированным импульсом из-за наличия мгновенного частотная развертка. Такой щебетание может быть получено при распространении импульса через материалы (например, стекло) из-за их рассеивания . Это приводит к временному расширению пульса.${\ Displaystyle S (\ omega)}$${\ displaystyle \ phi (\ omega)}$${\ displaystyle \ phi (\ omega)}$${\ displaystyle \ phi (\ omega)}$

Функции интенсивности - временная и спектральная - определяют длительность и ширину полосы спектра импульса. Согласно принципу неопределенности , их произведение (иногда называемое произведением времени на полосу пропускания) имеет нижнюю границу. Это минимальное значение зависит от определения длительности и формы импульса. Для заданного спектра минимальное произведение времени на ширину полосы и, следовательно, самый короткий импульс получается с помощью импульса с ограничением преобразования, т. Е. Для постоянной спектральной фазы . С другой стороны, высокие значения произведения времени на ширину полосы указывают на более сложный импульс.${\ Displaystyle I (т)}$${\ Displaystyle S (\ omega)}$${\ displaystyle \ phi (\ omega)}$

Контроль формы импульса [ править ]

Хотя оптические устройства, также используемые для непрерывного света, такие как расширители луча и пространственные фильтры, могут использоваться для ультракоротких импульсов, несколько оптических устройств были специально разработаны для ультракоротких импульсов. Одним из них является импульсным компрессором , ^[2] устройство , которое может быть использовано для управления спектральной фазы сверхкоротких импульсов. Он состоит из последовательности призм или решеток. При правильной настройке он может изменять спектральную фазу φ ( ω ) входного импульса так, чтобы выходной импульс был импульсом с ограниченной полосой пропускания с минимально возможной длительностью. Формирователь импульсов может быть использован , чтобы сделать более сложные изменения как на фазы и амплитуды сверхкоротких импульсов.

Для точного управления импульсом необходима полная характеристика спектральной фазы импульса, чтобы получить определенную спектральную фазу импульса (например, с ограничением преобразования ). Затем можно использовать пространственный модулятор света в плоскости 4f для управления импульсом. Метод многофотонного фазового сканирования с внутриимпульсной интерференцией (MIIPS) основан на этой концепции. Посредством фазового сканирования пространственного модулятора света MIIPS может не только характеризовать, но и манипулировать ультракоротким импульсом, чтобы получить необходимую форму импульса в целевой точке (например, импульс с ограничением преобразованиядля оптимизации пиковой мощности и других конкретных форм импульсов). 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). ^[3]

Методы измерения [ править ]

Существует несколько методов измерения ультракоротких оптических импульсов.

Автокорреляция интенсивности дает ширину импульса, если предполагается конкретная форма импульса.

Спектральная интерферометрия (SI) - это линейный метод, который можно использовать, когда доступен предварительно охарактеризованный эталонный импульс. Он дает интенсивность и фазу. Алгоритм, извлекающий интенсивность и фазу из сигнала SI, является прямым. Спектрально-фазовая интерферометрия для прямой реконструкции электрического поля (SPIDER) - это метод нелинейной самореференции, основанный на спектральной интерферометрии сдвига. Метод аналогичен SI, за исключением того, что эталонный импульс представляет собой спектрально сдвинутую копию самого себя, что позволяет получить спектральную интенсивность и фазу зондирующего импульса с помощью процедуры прямой фильтрации FFT, 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 автокорреляция со спектральным разрешением. Алгоритм, который извлекает интенсивность и фазу из трассы FROG, является итеративным. Серьезное наблюдение сверхбыстрых падающих лазерных световых полей ( GRENOUILLE ) с устранением решеток - это упрощенная версия FROG. ( Гренуй по-французски означает « лягушка ».)

Chirp-сканирование - это метод, подобный MIIPS, который измеряет спектральную фазу импульса, применяя линейное изменение квадратичных спектральных фаз и измеряя спектры второй гармоники. Что касается MIIPS, который требует многих итераций для измерения спектральной фазы, для получения как амплитуды, так и фазы импульса необходимы только два сканирования с ЛЧМ. ^[4]

Фазовое сканирование с многофотонной внутриимпульсной интерференцией (MIIPS) - это метод определения характеристик и управления ультракоротким импульсом.

Распространение волновых пакетов в неизотропных средах [ править ]

Чтобы частично повторить вышеизложенное, приближение медленно меняющейся огибающей (SVEA) электрического поля волны с центральным волновым вектором и центральной частотой импульса задается следующим образом:${\ displaystyle {\ textbf {K}} _ {0}}$${\ displaystyle \ omega _ {0}}$

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

Рассмотрим распространение электрического поля в однородной дисперсной неизотропной среде для СВЭА. Предполагая, что импульс распространяется в направлении оси z, можно показать, что огибающая для одного из наиболее общих случаев, а именно для двухосного кристалла, определяется PDE : ^[5]${\ displaystyle {\ textbf {A}}}$

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

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

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, действительны в ближнем и дальнем поле. является обратной проекции групповой скорости. Член в - дисперсия групповой скорости (ДГС) или дисперсия второго порядка; он увеличивает длительность импульса и подает импульс по мере его распространения в среде. Член в представляет собой дисперсионный член третьего порядка, который может еще больше увеличить длительность импульса, даже если он обращается в ноль. Термины в и описывают смещение пульса; коэффициент${\displaystyle \beta _{1}}$${\displaystyle \beta _{2}}$${\displaystyle \beta _{3}}$${\displaystyle \beta _{2}}$${\displaystyle \gamma _{x}}$${\displaystyle \gamma _{y}}$${\displaystyle \gamma _{x}~(\gamma _{y})}$- отношение составляющей групповой скорости и единичного вектора в направлении распространения импульса (ось z). Члены в и описывают дифракцию оптического волнового пакета в направлениях, перпендикулярных оси распространения. Термины в и содержащих смешанные производные во время и пространстве вращать волновой пакет о и осях, соответственно, увеличивают временную ширину волнового пакета (в дополнении к увеличению из - за дГС), увеличение дисперсии в и направлениях, соответственно, и увеличивают щебетание (в дополнение к тому, что связано с ), когда последние и / или и не равны нулю. Член вращает волновой пакет в${\displaystyle x~(y)}$${\displaystyle \gamma _{xx}}$${\displaystyle \gamma _{yy}}$${\displaystyle \gamma _{tx}}$${\displaystyle \gamma _{ty}}$${\displaystyle y}$${\displaystyle x}$${\displaystyle x}$${\displaystyle y}$${\displaystyle \beta _{2}}$${\displaystyle \gamma _{xx}}$${\displaystyle \gamma _{yy}}$${\displaystyle \gamma _{xy}}$${\displaystyle x-y}$самолет. Как ни странно, из-за неполных ранее расширений, это вращение импульса не было реализовано до конца 1990-х годов, но было экспериментально подтверждено. ^[6] Оказалось, что до третьего порядка правая часть приведенного выше уравнения содержит следующие дополнительные члены для случая одноосного кристалла: ^[7]

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

Первый и второй члены отвечают за кривизну распространяющегося фронта импульса. Эти члены, включая член в , присутствуют в изотропной среде и учитывают сферическую поверхность фронта распространения, исходящего от точечного источника. Этот термин может быть выражен в терминах показателя преломления, частоты и его производных, и этот термин также искажает пульс, но таким образом, который меняет роли и (подробности см. В ссылке Триппенбаха, Скотта и Бэнда). Пока что трактовка здесь является линейной, но нелинейные дисперсионные члены вездесущи в природе. Исследования с дополнительным нелинейным членом${\displaystyle \beta _{3}}$${\displaystyle \gamma _{txx}}$${\displaystyle \omega }$${\displaystyle \gamma _{ttx}}$${\displaystyle t}$${\displaystyle x}$${\displaystyle \gamma _{nl}|A|^{2}A}$показали, что такие условия оказывают сильное влияние на волновой пакет, включая, помимо прочего, самоукручивание волнового пакета. ^[8] Нелинейные аспекты в конечном итоге приводят к оптическим солитонам .

Несмотря на то, что SVEA довольно распространен, не требуется формулировать простое волновое уравнение, описывающее распространение оптических импульсов. Фактически, как показано в ^[9], даже очень общая форма электромагнитного волнового уравнения второго порядка может быть разложена на составляющие направления, обеспечивая доступ к единственному волновому уравнению первого порядка для самого поля, а не к огибающей. Для этого требуется только предположение, что эволюция поля является медленной в масштабе длины волны и вообще не ограничивает ширину полосы импульса, что наглядно демонстрирует. ^[10]

Высокие гармоники [ править ]

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

Приложения [ править ]

Улучшенная 3D микро- / нанообработка материалов [ править ]

Способность фемтосекундных лазеров эффективно создавать сложные структуры и устройства для самых разных приложений широко изучалась в течение последнего десятилетия. Современные методы лазерной обработки с использованием ультракоротких световых импульсов могут использоваться для структурирования материалов с субмикрометровым разрешением. Прямая лазерная запись (DLW) подходящих фоторезистов и других прозрачных материалов может 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.^[11]

Микрообработка [ править ]

Среди применений фемтосекундного лазера проводились эксперименты по микротекстуризации поверхности имплантата для улучшения образования кости вокруг зубных имплантатов из диоксида циркония. Техника продемонстрировала свою точность с очень низким термическим повреждением и уменьшением поверхностных загрязнений. Дальнейшие исследования на животных показали, что увеличение кислородного слоя, а также микро- и нано-характеристик, созданных микротекстурированием с помощью фемтосекундного лазера, привело к более высокой скорости образования кости, более высокой плотности кости и улучшенной механической стабильности. ^{[12] [13] [14]}

См. Также [ править ]

• 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 терагерцового (Т-излучения).
• Сверхбыстрая лазерная спектроскопия
• Волновой пакет

Ссылки [ править ]

Дальнейшее чтение [ править ]

Этот раздел для дальнейшего чтения может содержать неуместные или чрезмерные предложения, которые могут не соответствовать рекомендациям Википедии . Пожалуйста , убедитесь , что только разумное количество из сбалансированных , актуальные , надежных и известных дальнейших предложений чтений приведены; удаление менее актуальных или повторяющихся публикаций с той же точкой зрения, где это необходимо. Рассмотрите возможность использования соответствующих текстов в качестве встроенных источников или создания отдельной библиографической статьи . ( Октябрь 2014 г. ) ( Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения )

• Хирлиманн, К. (2004). «Импульсная оптика». В Rullière, 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.
• JC Diels и W. Rudolph (2006). Явления ультракоротких лазерных импульсов . Нью-Йорк, Академ. ISBN 978-0-12-215493-5.

Внешние ссылки [ править ]

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