Ультрабыстрые лазеры

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).

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 (E = 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).

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 φ_n, с энергией E_n. Тогда волновая функция состояния задается формулой (1):

         (1)

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

        (2)

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

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

        (3)

Здесь ω_n = (E_n – E'₀)/ℏ – боровская частота. Границы ультракороткого импульса определяет время жизни τ – временной интервал, в течение которого возбуждение активной среды понижается до нуля, тогда a_n = C < φ_n|χ₀  >. Отсюда ψ = C < φ_n|χ₀  > φ_n = 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