Введение
Лазерный импульс с продолжительностью в пикосекунду (10^12 с) или меньше.
В оптике ультракороткий импульс, также известный как ультрабыстрое событие, представляет собой электромагнитный импульс, продолжительность которого составляет порядка пикосекунды (10−12 секунды) или меньше. Такие импульсы имеют широкополосный оптический спектр и могут быть созданы с помощью модульно-запертых генераторов. Усиление ультракоротких импульсов почти всегда требует применения техники усиления импульса с помощью временного растяжения (чирпа), чтобы избежать повреждения активной среды усилителя. Они характеризуются высокой пиковой интенсивностью (или, точнее, освещенностью), которая 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 (fs) и пикосекундному (ps) диапазонам, хотя такие импульсы больше не являются рекордными по длительности искусственно создаваемых импульсов. Фактически, были получены рентгеновские импульсы с длительностью в аттосекундном масштабе. Нобелевская премия по химии 1999 года была присуждена Ахмеду Х. Зевайлу за использование ультракоротких импульсов для наблюдения химических реакций в масштабах времени, соответствующих их протеканию, что открыло область фемтохимии. Еще одна Нобелевская премия, Нобелевская премия по физике 2023 года, также была присуждена за исследования ультракоротких импульсов. Эта премия была присуждена Пьеру Агостини, Ференцу Краушу и Энн Л’Хулье за разработку аттосекундных импульсов и их способность исследовать динамику электронов.
Определение
Стандартного определения ультракороткого импульса не существует. Обычно термин "ультракороткий" применяется к импульсам длительностью в несколько десятков фемтосекунд, но в более широком смысле ультракоротким можно считать любой импульс, продолжающийся менее нескольких пикосекунд. Разграничение между понятиями "ультракороткий" и "ультрабыстрый" необходимо, поскольку скорость распространения импульса зависит от показателя преломления среды, через которую он проходит, в то время как "ультракороткий" характеризует временную ширину волнового пакета импульса. Типичным примером является импульс с частотной модуляцией (чирпированный гауссов импульс) – волна, амплитуда поля которой описывается гауссовой огибающей, а мгновенная фаза имеет частотное изменение.
Контроль формы импульса
Хотя оптические устройства, используемые для непрерывного света, такие как расширители пучка и пространственные фильтры, могут применяться и для ультракоротких импульсов, ряд оптических устройств был специально разработан для работы с ними. Одним из таких устройств является импульсный компрессор, позволяющий управлять спектральной фазой ультракоротких импульсов. Он состоит из последовательности призм или дифракционных решеток. При правильной настройке он способен изменять спектральную фазу φ(ω) входного импульса таким образом, чтобы выходной импульс имел минимально возможную длительность, ограниченную полосой пропускания. Импульсный формирователь позволяет вносить более сложные изменения как в фазу, так и в амплитуду ультракоротких импульсов. Для точного управления импульсом необходима полная характеристика его спектральной фазы, чтобы получить заданную спектральную фазу (например, фазу, соответствующую преобразованию Фурье, ограниченному по времени). Затем пространственный световой модулятор можно использовать в плоскости 4f для управления импульсом. Многофотонное внутриимпульсное интерференционное фазовое сканирование (MIIPS) – это метод, основанный на этом принципе. Благодаря фазовому сканированию пространственного светового модулятора, MIIPS позволяет не только характеризовать, но и формировать ультракороткий импульс, получая необходимую форму импульса в целевой точке (например, импульс, ограниченный по времени, для оптимизации пиковой мощности, или другие специфические формы импульса). Если импульсный формирователь полностью откалиброван, эта техника позволяет контролировать спектральную фазу ультракоротких импульсов с помощью простой оптической схемы, не содержащей движущихся частей. Однако точность MIIPS несколько ниже, чем у других методов, таких как частотно-разрешенная оптическая вентиляция (FROG).
Методы измерений
Существует несколько методов измерения ультракоротких оптических импульсов. Автокорреляция интенсивности определяет ширину импульса при условии заданной формы импульса. Спектральная интерферометрия (СИ) – это линейный метод, который можно использовать при наличии предварительно охарактеризованного опорного импульса. Он позволяет определить интенсивность и фазу. Алгоритм, извлекающий интенсивность и фазу из сигнала СИ, является прямым. Спектральная фазовая интерферометрия для прямой реконструкции электрического поля (SPIDER) – это нелинейная самореферентная техника, основанная на спектральной сдвиговой интерферометрии. Метод аналогичен СИ, за исключением того, что опорный импульс является спектрально сдвинутой копией самого себя, что позволяет получить спектральную интенсивность и фазу зондирующего импульса посредством прямой фильтрации БПФ, аналогичной СИ, но требующей интегрирования фазы, извлеченной из интерферограммы, для определения фазы зондирующего импульса. Частотно-разрешенная оптическая затворовая техника (FROG) – это нелинейный метод, который определяет интенсивность и фазу импульса. Это спектрально разрешенная автокорреляция. Алгоритм, извлекающий интенсивность и фазу из трассы FROG, является итеративным. GRENOUILLE – это упрощенная версия FROG. (Grenouille – французское слово, означающее «лягушка».) Чирп-сканирование – это метод, аналогичный MIIPS, который измеряет спектральную фазу импульса путем приложения рампы квадратичных спектральных фаз и измерения спектра второй гармоники. По сравнению с MIIPS, для измерения спектральной фазы требуется множество итераций, для восстановления амплитуды и фазы импульса достаточно двух сканирований чирпа. Многофотонное внутриимпульсное интерференционное сканирование фазы (MIIPS) – это метод характеризации и манипулирования ультракороткими импульсами.
Высокие гармоники
Высокоэнергетические ультракороткие импульсы могут быть сгенерированы посредством генерации высоких гармоник в нелинейной среде. Высокоинтенсивный ультракороткий импульс генерирует ряд гармоник в среде, из которых с помощью монохроматора выделяется интересующая гармоника. Эта методика использовалась для получения ультракоротких импульсов в экстремальном ультрафиолетовом и мягком рентгеновском диапазонах на основе близкоинфракрасных импульсов Ti:сапфирового лазера.
3D микро-/нанообработка передовых материалов
Способность фемтосекундных лазеров эффективно создавать сложные структуры и устройства для широкого спектра применений интенсивно изучалась в течение последнего десятилетия. Современные методы лазерной обработки с использованием ультракоротких световых импульсов позволяют структурировать материалы с субмикрометровым разрешением. Прямая лазерная запись (DLW) подходящих фоторезистов и других прозрачных сред позволяет создавать сложные трехмерные фотонные кристаллы (PhC), микрооптические компоненты, дифракционные решетки, каркасы для тканевой инженерии (TE) и оптические волноводы. Такие структуры потенциально применимы для реализации приложений нового поколения в телекоммуникациях и биоинженерии, требующих создания все более сложных миниатюрных деталей. Высокая точность, скорость изготовления и универсальность ультрабыстрой лазерной обработки делают ее перспективным инструментом для промышленного производства.
Микро-оборота
Среди применений фемтосекундного лазера изучалась микротекстуризация поверхностей имплантатов для стимуляции формирования костной ткани вокруг зубных имплантатов из диоксида циркония. Эта техника продемонстрировала высокую точность, минимальное термическое воздействие и снижение количества поверхностных загрязнений. Последующие исследования на животных показали, что увеличение содержания кислорода в поверхностном слое и микро- и наноструктуры, созданные фемтосекундной лазерной микротекстуризацией, привели к более высокой скорости формирования костной ткани, большей плотности кости и улучшенной механической стабильности.
Полимеризация мультифотонов
Мультифотонная полимеризация (МФП) отличается способностью создавать микро- и наноструктуры с исключительной точностью. В этом процессе используется сфокусированная мощность фемтосекундных лазеров для инициирования высококонтролируемых реакций фотополимеризации, позволяя создавать детализированные трехмерные объекты. Благодаря этим возможностям МФП играет ключевую роль в создании сложных геометрических форм для биомедицинских приложений, включая тканевую инженерию и изготовление микроустройств, демонстрируя универсальность и прецизионность ультракороткоимпульсных лазеров в передовых производственных технологиях.