Известно, что спектр периодической последовательности импульсов фемтосекундного лазера представляет собой набор эквидистантно расположенных частот, расстояние между которыми равно частоте следования импульсов фемтосекундного лазера. Из-за хроматической дисперсии возникает сдвиг фазы несущей волны относительно фазы огибающей от импульса к импульсу.
Вследствие этого вся гребенка сдвигается относительно спектра целых гармоник частоты повторения fREP на частоту fCEO (1), где
В общем случае зависимость скорости распространения спектральных компонент импульса (импульс имеет некоторый ограниченный спектр) от частоты приводит к тому, что компоненты более высоких частот (меньших длин волн) будут двигаться с меньшей групповой скоростью, соответственно меньших частот (больших длин волн) – с большей групповой скоростью. Это так называемая нормальная дисперсия, когда вторая производная от волнового числа по круговой частоте имеет положительный наклон к оси абсцисс (2,3).
Определение частотного сдвига fCEO в фемтосекундных лазерах осуществляется методом гетеродинирования. Для автоматической подстройки фазы используется система фазовой автоподстройки частоты. Фазовая автоподстройка частоты (ФАПЧ) — система автоматического регулирования, подстраивающая частоту управляемого генератора так, чтобы она была равна частоте опорного сигнала. Регулировка осуществляется благодаря наличию отрицательной обратной связи. Выходной сигнал управляемого генератора сравнивается на фазовом детекторе с опорным сигналом, результат сравнения используется для подстройки управляемого генератора.
Однако как только флуктуации фазы становятся значительными, например в Ti:Sapphire лазере, приводящими к появлению колебаний биения порядка нескольких килогерц, требуется быстродействующий механизм компенсации фазы. Система обратной связи не успевает подстраиваться под скорость изменения разности фаз огибающей и несущей. Достаточно успешной в плане компенсации фазы является так называемая система сервоконтроля. Акусто-оптический модулятор позволяет эффективно следить за изменением фазы сигнала и исправлять возникающую разницу. Но существует ряд недостатков при использовании такого метода. В частности, снижение выходной мощности лазерного излучения, изменение длительности импульсов, изменение времени обхода импульсом резонатора и другие.
Принцип действия схемы компенсации фазы, предлагаемой авторами статьи [1], показан на рисунке 1. Его суть заключается в следующем. Для компенсации сдвига фаз используется акустооптический преобразователь частоты (АОПЧ, или acousto-optic frequency shifter, AOFS). К пьезоэлектрическому модулятору, закрепленному на одной из боковых граней анизотропного кристалла плавленого кварца, подается переменное напряжение, что в свою очередь вызывает колебания акустического диапазона, распространяющиеся в кристалле. Лазерный луч, проходя через этот кристалл, испытывает брегговское рассеяние. Луч расщепляется на два (хотя порядок может быть и больше первого), один из которых продолжает двигаться в том же направлении и сохраняет свои спектральные характеристики, а другой испытывает отклонение от первоначального направления распространения, а также частотный сдвиг, который зависит от частоты акустических волн в кристалле и описывается формулой Брегга-Вульфа (4), в которой λac-длина акустической волны (период решетки в кристалле), α - угол брегговского рассеяния, λ - длина волны оптического диапазона, n - показатель преломления кристалла.
Путем подбора частоты входного сигнала AOFS fRF (обычно она находится в радиодиапазоне), так, чтобы она равнялась сдвигу частотной гребенки относительно начала координат fCEO, можно компенсировать этот сдвиг, а значит и колебания фазы в той волне, которая испытала рассеяние на решетке акустических волн AOFS (волна первого порядка). КПД достигает 60-70%, т.е. большая часть излучения лазера подвергается компенсации фазового сдвига и ее можно использовать для различных приложений. Оставшаяся часть излучения (луч нулевого порядка) служит для измерения частотного сдвига fCEO. Измеряя эту частоту (для этого используется интерферометр f-
В качестве лазерного источника использовали фемтосекундный лазер (10 фс, Femtolasers GmbH, FEMTOSOURCE synergy). Толщина AOFS –
Таким образом, данная методика открывает новые перспективы и перед аттосекундной физикой. Если ранее длительность импульса была ограничена имеющимся частотным сдвигом fCEO, то теперь появляется возможность приблизиться вплотную к физическому пределу длительности, когда в одном импульсе будет содержаться до одного колебания электромагнитного поля. Практическая возможность получения лазеров с импульсами аттосекундной длительности, в которых напряженность электрического поля можно сравнить с напряженностью поля, действующего на электроны в атомах и молекулах, привела к новому направлению исследований, главной целью которого является исследование вещества на временных и пространственных интервалах порядка атомных.
Аттосекундные импульсы позволят не только исследовать вещество на атомных масштабах, проводить спектроскопические исследования, но и, возможно, управлять протекающими химическими реакциями. В таких сильных лазерных полях возможна реализация управляемого термоядерного синтеза, моделирование процессов, происходящих во Вселенной.
Список использованных источников
[1] Direct frequency comb synthesis with arbitrary offset and shot-noise-limited phase noise. Sebastian Koke, Christian Grebing, Harald Frei, Alexandria Anderson, Andreas Assion and Guenter Steinmeyer. NATURE PHOTONICS. Publihed online 9.05.2010, DOI:10.1038/NPHOTON.2010.91
