Главная / Библиотека / Ультрабыстрые лазеры: основные принципы

Ультрабыстрые лазеры

Ультрабыстрые лазеры: основные принципы

Рассуждения о строении атома ведутся с древнейших времен – одними из первых стали греческие философы и мыслители Левкипп и Демокрит, чьи гипотезы насчитывают более 20-ти тысяч лет. Развитие технологий значительно ускорило и упростило изучение мельчайших структур, XX век стал по-настоящему прорывным в естествознании – ученые смогли не только наблюдать движение частиц, но и управлять их движением.

Уже тогда было известно, что масштабы микромира отличаются от масштабов, привычных человеку, на несколько порядков, что привело к созданию новых, более удобных систем единиц.

Характерная скорость передвижения частиц в атоме 10 км/с, чтобы отследить смещение частицы на расстояние 1 А, временной интервал не должен превышать 10 фс. Поэтому при визуализации микроструктур и в манипуляции атомами и молекулами используются супербыстрые импульсные лазеры.

Стремительное развитие лазерных технологий выводит индустрию на новый уровень. Длительность лазерных импульсов специализированных современных источников не превышает и десятка аттосекунд, что позволяет управлять не только отдельными атомами, но и частицами внутри атомов – пожалуй, самой загадочной частью микромира, до сих пор не изученной до конца.

Работа лазера построена на двух принципах – усиление излучения в активной среде (активной средой служат кристаллы, различные инертные газы), и обратная связь, поддерживаемая в резонаторе, состоящем из двух зеркал. Излучение усиливается в возбужденной среде, и по достижении необходимого уровня интенсивности за счет эффективного отражения в резонаторе, пучок попадает во внешнюю среду через частично пропускающее зеркало (рис. 1).

ultrafast-lasers-basic-principles-fig-1
Рисунок 1. Оптическая схема ультрабыстрого лазерного осциллятора, формирующего непрерывные волны: лазер на основе кристалла граната позволяет генерировать вторую гармонику

Ультракороткие световые импульсы создаются с помощью синхронизации большого количества мод (синфазной суперпозиции), излучаемых одним лазерным источником. Лазерные импульсы подчиняются принципу неопределенности, поскольку фотоны проявляют волновые свойства.

Поскольку энергия ультракороткого импульса (hc/λ) охватывает несколько частот в полосе пропускания, возникает вопрос о сохранении когерентности. Когерентность – важное понятие современной технологии лазеров, оно во многом объясняет характер взаимодействия излучения и вещества. С помощью источников излучения высокой когерентности возможно получить конструктивную и деструктивную интерференцию в микромасштабе (рис. 2).

ultrafast-lasers-basic-principles-fig-2
Рисунок 2. Схема генерации ультракоротких импульсов с помощью синхронизации мод: импульсы охватывают широкий диапазон длин волн, хотя длительность импульса достаточно мала

Пусть ультракороткий лазерный импульс, подчиняющийся закону Гаусса, переводит систему из одного состояния χ0 с энергией E'0 в новое φn, с энергией En. Тогда волновая функция состояния задается формулой (1):

11_3.png          (1)

где an – амплитуда вероятности появления собственного состояния φn. Модуль квадрата волновой функции несет смысл вероятности перехода системы в собственное состояние после принятого импульса. Согласно теории возмущений, собственные состояния определяются по формуле (2):

12_0.png         (2)

 


где C – константа, зависящая от амплитуды поля импульса и дипольного момента перехода.

Коэффициент α = 2π2/ln(2). < φn|χ0  > – множитель Франка-Кондона, вычисляемый как интеграл между исходным и конечным состоянием. После расчета интеграла в уравнении (2), можно записать выражение в следующем виде:

13_0.png         (3)

 

Здесь ωn = (En – E'0)/ℏ – боровская частота. Границы ультракороткого импульса определяет время жизни τ – временной интервал, в течение которого возбуждение активной среды понижается до нуля, тогда an = C < φn|χ0  >. Отсюда ψ = C < φn|χ0  > φn = χ0. Так, возбужденный волновой пакет ψ, имеющий ту же форму, что и исходная волновая функция, является когерентной суперпозицией возбужденных собственных состояний.

Формальное объяснение природы когерентности источника лазерного излучения сложно и неоднозначно, чем и привлекает общий интерес. Ультракороткие импульсы – одна из ярчайших иллюстраций когерентного излучения, благодаря своим свойствам, нашедшая широкое распространение в исследовании многоуровневых молекул, атомов, спиновых состояний частиц полупроводниковых материалов, фазовых переходов, явления магнетизма. Ранее недоступное даже для наблюдения становится открытым для динамического управления. Большую актуальность набирает сфера создания новых функциональных материалов, обладающих любыми заданными свойствами.

 

© Edmund Optics Inc.

Компания INSCIENCE помогает своим заказчикам решать любые вопросы и потребности по продукции Edmund Optics на территории РФ

 

 

 

Последние статьи
Объемные брэгговские решетки в лазерных резонаторах

В статье приводится обзор последних достижений в разработке дифракционных оптических элементов - решеток Брэгга, записанных на фототерморефрактивных (ФТР) стеклах. Группа из колледжа оптики и фотоники при Университете центральной Флориды представила экспериментальные результаты, отражающие изменения параметров выходного лазерного излучения при использовании брэгговских решеток, записанных на ФТР стекле. 

Применение квантово-каскадных лазеров в абсорбционной спектроскопии

Спектроскопические методы, основанные на использовании лазерных источников, имеют большой потенциал для выявления и мониторинга компонентов в газовой фазе. Высокая чувствительность и селективность лазера позволяет использовать их для количественной оценки атомов и молекул в образце. Квантово-каскадные лазеры, излучающие в области среднего ИК диапазона, обеспечивают высокое разрешение и позволяют идентифицировать спектр молекул в газовых образцах и в парах воды.

Спектроскопия тонкопленочных покрытий

Тонкие пленки используются в современных высокотехнологичных полупроводниковых структурах, микроэлектронике, матричных приемниках и, конечно, в оптике. Развитие знаний о свойствах материалов позволило науке совершить настоящий прорыв. Конечное применение тонкопленочных структур может быть разнообразным, но постоянной остается необходимость точного контроля толщины каждого слоя в процессе эпитаксиального роста. Толщина пленки обычно находится в диапазоне от 1 нм до 100 мкм.

Компенсация дисперсии в микроскопии трехфотонного возбуждения

Трехфотонная микроскопия – усовершенствованный метод двухфотонной микроскопии, в котором используется не двух-, а трехфотонное возбуждение в диапазоне 1300 – 1700 нм.  Увеличение длины волны возбуждающего лазерного излучения до 1700 нм позволяет сократить рассеяние и поглощение в тканях, ограничивающих глубину поля зрения, однако методы компенсации дисперсии в многофотонной микроскопии по-прежнему остаются актуальной темой исследований в современной фотонике.

Спектрометры Avantes для лазерно-искровой эмиссионной спектроскопии

Лазерно-искровая эмиссионная спектроскопия (ЛИЭС) – один из типов атомно-эмиссионного спектрального анализа. Методом ЛИЭС изучаются спектры плазмы лазерного пробоя (лазерной искры) в анализе твердотельных образцов, жидкостей, газовых сред, взвешенной пыли и аэрозолей.

У Вас особенный запрос?
У Вас особенный запрос?
Весьма часто наши заказчики лучше нас знают, какое оборудование им нужно. В этом случае мы берём на себя общение с производителем, доставку и таможенную очистку, а также все вопросы гарантийного периода. Пожалуйста, заполните эту форму, и мы свяжемся с Вами, чтобы помочь решить любую Вашу задачу. Или позвоните нам по телефону +7(495)199-0-199
Форма заявки
Ваше имя: *
Ваше имя
Ваш e-mail: *
Ваш телефон: *
Ваш телефон
Наши
контакты
г. Москва, ул. Бутлерова, д. 17Б, офис 502

г. Санкт-Петербург, Коломяжский проспект, 33 корпус 2