Первые исследования сверхкоротких лазерных импульсов

В начале лазерной эры важнейшими задачами считали получение непрерывного предельно стабильного и монохроматического излучения, которое можно использовать, как эталон длины и времени.

На сегодняшний день более актуальным направлением лазерной физики обоснованно считают исследования, связанные с ультракороткими, фемтосекундными импульсами. Ультракороткие лазерные импульсы позволили приступить к освоению новых пико- и фемтосекундных временных диапазонов и к изучению ранее недоступных для исследования быстро протекающих процессов в химии, биологии, электронике.

 Фемтосекундный импульс даже сравнительно небольшой энергии ~ 1 Дж обладает мощностью 10¹⁵ Вт. С этим связано другое принципиальное достижение лазерной физики – петаваттные лазеры, дающие возможность сконцентрировать указанную мощность в малом объеме и создающие электромагнитные поля с напряженностями, превышающими внутриатомные. Это означает, что оптика начинает вторгаться в область ядерных процессов и явлений. С лазерами связывают основные надежды на решение самой трудной технической задачи, стоящей перед человечеством – освоением реакции управляемого термоядерного синтеза.

     Удовлетворительная теория лазеров ультракоротких импульсов пока отсутствует. Более того, общеприняты некорректные представления о процессах генерации в таких лазерах, приводящие к парадоксам и основанные на непригодных в данном случае понятиях классической оптики и люминесценции. По-видимому, более корректен другой подход, в соответствии с которым генерация ультракоротких импульсов обусловлена слабо изученными эффектами когерентного взаимодействия излучения с активной средой лазера.

Исследователи, в начале 60-х годов занимавшиеся импульсными лазерами с модуляцией добротности на рубине и стекле, активированном неодимом, почти сразу же обнаружили существование периодической временной модуляции огибающей гигантских импульсов [5,6].

Период модуляции совпадал с временем обхода светом резонатора. Существование этой модуляции всегда было однозначно связано с присутствием в спектре излучения лазера дискретных частот. Это обстоятельство сразу же нашло «очевидное» (и некорректное, см. ниже) объяснение: модуляция есть результат биений этих дискретных частот - продольных мод лазерного резонатора.

Для устранения модуляции огибающей гигантского импульса, которая в задачах светолокации рассматривалась как нежелательное явление, необходимо было обеспечивать одночастотный режим генерации. Обычно нормальные торцы активного стержня и зеркала резонатора, напыленные на плоскопараллельные стеклянные подложки, обеспечивали селекцию мод, достаточную для существенного подавления высокочастотной модуляции, так что специальных мер для получения одночастотного режима генерации обычно не применяли.

Подавление высокочастотной модуляции огибающей гигантских импульсов, генерируемых твердотельными лазерами, было необходимо для снижения световой нагрузки на элементы лазерного резонатора. Плотность мощности гигантского импульса порядка 10⁹ Ватт на квадратный сантиметр в твердотельном лазере близка к порогу оптического пробоя поверхностей элементов резонатора. Многократное возрастание пиковой мощности излучения при генерации сверхкоротких импульсов, существенно увеличивало световую нагрузку на зеркала лазерного резонатора и торцы активного стержня, что было недопустимо, так как приводило к возникновению необратимых микроповреждений их поверхностей.

Естественно, сразу же возникла идея использования «биений продольных мод лазерного резонатора» для генерирования сверхкоротких световых импульсов. Режим работы лазера в этом случае назвали «синхронизацией мод резонатора».

На первых этапах развития методов синхронизации мод лазеров казалось, что в этот режим лазер надо «загонять» насильственными методами. Появилось огромное число работ посвященное методам синхронизации мод лазеров с помощью установки в лазерный резонатор оптических затворов. Модуляцию излучения на частоте межмодовых биений электрооптическим затвором назвали активной синхронизацией мод, а использование для получения «режима синхронизации мод» просветляющегося затвора - пассивной синхронизацией мод [7,8].

Теоретическим «обоснованием» необходимости использования методов синхронизации мод служили представления о лазере, как о генераторе усиленного шума. Такая модель лазера была принята в статистической оптике, методы которой без должного обоснования переносились в физику лазеров [9].

Очевидно, что для устранения процесса размножения сверхкоротких импульсов, внутри лазерного резонатора не должно быть дополнительных, отражающих поверхностей, нормальных его оптической оси. Экспериментально такой неселективный резонатор реализуют за счет использования активного стержня с брюстеровскими торцами и зеркал, нанесенных на клиновые подложки. Просветляющие покрытия на нормальных торцах активных стержней не позволяет полностью подавить возникновение паразитных ультракоротких импульсов. На спектральном языке это означало, что в этом случае лазер продолжал генерировать многочастотное излучение. Наблюдения показывают, что лазерный резонатор настолько чувствителен, что на его спектр оказывает влияние даже вторая поверхность «глухого» лазерного зеркала с коэффициентом отражения 99,8%, нанесенного на плоскопараллельную стеклянную подложку.   

Для получения стабильного, воспроизводимого режима работы лазер должен работать на простейшей поперечной моде резонатора. Наличие других поперечных мод существенно усложняет временную картину излучения и приводит к нарушениям периодичности следования сверхкоротких импульсов. Чтобы поперечный размер луча лазера, генерирующего на простейшей поперечной моде, был значительным и превышал ~ 1 мм активная среда лазера должна быть высоко однородной. Это условие проще обеспечить в активных элементах лазера малой длины. Для выделения единственной поперечной моды в лазерный резонатор иногда устанавливают диафрагму диаметром ~ 1 мм. Чтобы устранить кольцевую пространственную структуру, возникающую в луче лазера в этом случае, диафрагма должна быть аподизированной. В современных лазерах генерацию на простейшей поперечной моде резонатора получают просто фокусировкой однородного луча накачки в область диаметром порядка миллиметра на активном элементе.

 Одиночный ультракороткий импульс может быть выделен из последовательности сверхкоротких импульсов, генерируемых лазером, с помощью электрооптического затвора, который устанавливают на пути луча вне лазера. Для этого время обхода светом резонатора лазера должно составлять порядка 5... 10 наносекунд (соответствующая длина резонатора 0,7...1,5 м), чтобы иметь возможность синхронизовать с помощью быстродействующего фотодиода и электронной схемы управления момент открытия затвора с выделяемым сверхкоротким световым импульсом. Длительность фронтов электрического импульса, управляющего затвором может составлять несколько наносекунд, что достаточно для выделения одиночного сверхкороткого импульса из последовательности с указанным выше периодом.

 Одиночный субпикосекундный импульс может быть подвергнут дальнейшему существенному временному сжатию за счет эффектов частотной самомодуляции в дисперсионных элементах и нелинейной среде с последующим пропусканием усиленного чирпированного импульса через линейную дисперсионную среду с нужным значением дисперсионного параметра второго порядка. 

Развитие теории лазеров ультракоротких импульсов по субъективным причинам с самого начала пошло по ложному пути. Излучение лазера считали принципиально шумовым, поэтому предполагалось, что корректное описание лазеров ультракоротких импульсов и их излучения должно строиться на основе статистической оптики. Ряд ошибок и заблуждений в области объяснения наблюдаемых явлений, в технической реализации лазеров ультракоротких импульсов и методах измерения параметров импульсов до сих пор сохраняются в научной литературе [10, 11]. Это и неудивительно – осуществляется прорыв в новую временную область, где длительности импульсных процессов в миллион раз короче доступных исследованиям электронными методами.

Наиболее распространенной технической ошибкой при создании лазеров с синхронизацией мод первого поколения было использование сравнительно длинных активных стержней, применяемых в импульсных лазерах с модуляцией добротности резонатора и импульсной ламповой накачкой. В режиме генерации ультракоротких импульсов пиковая мощность излучения может возрастать в тысячи … сотни тысяч раз по сравнению со случаем моноимпульсной генерации. Поэтому плотность мощности лазерной генерации оказывалась чрезмерно высокой. Каждый импульс генерации порождал дефекты в активной среде и элементах резонатора, что приводило к невоспроизводимости режима работы лазера. Кроме того, генерация сопровождалась нелинейными оптическими явлениями, существенно осложнявшими динамику излучения.

   Самое неприятное из нелинейных явлений в лазере – самофокусировка, связанная с керровской нелинейностью активной среды. Из-за нее пятно генерации вырождается в набор мелких пятен с чрезвычайно высокой плотностью мощности в каждом из них. Поэтому в активном стержне лазера количество микроскопических дефектов увеличивается после каждого импульса генерации. Получить воспроизводимый, устойчивый режим генерации пикосекундных сверхкоротких импульсов в лазерах с ламповой импульсной накачкой можно было лишь при использовании активных стержней с низкой концентрацией активных частиц и выполнении ряда других условий, в частности, искусственном сужении ширины спектра излучения [12]. 

При теоретическом описании работы лазера с пассивной синхронизацией мод начиная с работ [13] исследователи в основном исходили из ошибочной концепции о шумовой, флуктуационной природе сверхкоротких импульсов. Предполагалось, что поскольку лазерное излучение возникает из шумового излучения затравочной люминесценции активной среды, то излучение лазера принципиально состоит из хаотической последовательности импульсов со случайными амплитудами. Для подавления флуктуаций и выделения одиночного импульса на периоде резонатора в соответствии с этой концепцией обязательным считали применение специальных затворов, т.е. методов активной или пассивной синхронизации мод.

Прорыв в фемтосекундную область длительностей импульсов и получение воспроизводимых ультракоротких импульсов были осуществлены в квазинепрерывных лазерах сверхкоротких импульсов следующих поколений. В этих лазерах использовали активную среду с широкими спектральными полосами усиления. Как известно, газоразрядные лампы накачки для оптической накачки таких сред не подходят ввиду недостаточной спектральной яркости. Поэтому прогресс в этой области появился только после создания высокоэффективных полупроводниковых лазеров, используемых в качестве источника света накачки.

На первом этапе использовали лазеры на органических красителях с активной средой в виде тонкой плоской и однородной струи жидкости. Излучение накачки - луча аргонового лазера фокусировалось на струю. Пассивную синхронизацию мод резонатора в лазерах на красителях осуществляли просветляющимся затвором также в виде струи жидкости с растворенным в ней просветляющимся красителем. Впрочем, устойчивые ультракороткие импульсы от лазера на красителе в некоторых случаях можно было получать и без всяких затворов, что с удивлением констатировали многие исследователи.

В середине 90х годов, благодаря появлению мощной диодной накачки  появились лазеры на твердом теле с широкими спектральными полосами усиления. В них были использованы активные стержни в виде кристаллических пластинок толщиной порядка миллиметра при непрерывной или импульсной лазерной накачке. Лазер генерирует на простейшей поперечной моде резонатора. Умеренные плотности мощности генерируемого излучения при этом не вызывают повреждений кристалла, а сверхкороткие импульсы оказывается стабильным и воспроизводимыми.

 Наиболее удачный материал, используемый  в настоящее время – сапфир, активированный титаном [14]. Принципиально, что непрерывный режим генерации ультракоротких импульсов в таких лазерах осуществляют в основном без использования разработанных ранее и «теоретически обоснованных» методов синхронизации мод с помощью затворов, устанавливаемых в лазерный резонатор.

Имеется множество работ, в которых получают великолепное или хорошее «согласие теории и эксперимента». При этом авторы этих работ игнорируют иногда очевидные противоречия и парадоксы своей теории. Поэтому не следует быть излишне доверчивыми. Компьютерные методы расчета стали настолько изощренными, что согласовать любые опытные данные с правдоподобной (но неверной в принципе) концепцией, варьируя несколько свободных параметров, не представляет больших трудностей.

Генерация ультракоротких импульсов лазером это процесс, в котором основную роль играет когерентное взаимодействие излучения с активной средой. Именно в этом направлении и должна развиваться теория таких лазеров.

В литературе традиционно принято считать лазер, генерирующий ультракороткие импульсы, лазером, работающим в режиме «синхронизации мод». Для получения такого режима, как первоначально казалось, необходимо использовать специальные методы «синхронизации мод»: активные или пассивные. Ультракороткие импульсы иногда называют также сверхкороткими.

Исследования показали, что лазер оптимальной конструкции генерирует ультракороткие импульсы самостоятельно безо всяких насильственных устройств «синхронизующих» его моды, причем на самом деле сихронизации фаз мод в лазере не происходит. Способность генерировать ултракороткие импульсы просто присуща лазеру, как устройству, в котором происходит когерентное взаимодействие излучения с активной средой. Таким образом, принятую терминологию надо признать устаревшей. Термин «синхронизация мод» появился в результате некорректного применения линейной модели, описывающей последовательность ультракоротких импульсов в свободном пространстве на выходе лазера, к сугубо нелинейным оптическим процессам взаимодействия излучения с веществом, происходящим внутри лазерного резонатора.

Вместо термина лазер, работающий в режиме синхронизации (самосинхронизации) мод, целесообразнео использовать термины: лазер ультракоротких импульсов, фемтосекундный лазер, пикосекундный лазер.