XVI Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2024

Фемтосекундные лазеры

Фемтосекундные лазеры — это оптические квантовые генераторы, способные генерировать когерентные сверхкороткие импульсы [1]. За счет фемтосекундной длительности импульса получается лазерное излучение со значительной пиковой мощностью и интенсивностью, которое может быть использовано для исследования и воздействия на быстропротекающие процессы в различных областях науки и техники.

Принцип действия

Принцип действия фемтосекундных лазеров основан на синхронизации мод в лазерном резонаторе, то есть на согласовании частот и фаз колебаний электромагнитного поля в резонаторе [2]. Существует два возможных сценария генерации сверхкоротких импульсов. В одном варианте генерация начинается сразу во всех модах со случайной фазой и интенсивностью, а потом происходит отсев, в результате которого все моды становятся жестко связаны, таким образом в резонаторе остается только один импульс с очень короткой длительностью. Второй вариант - генерация начинается на одной моде, но потом, в результате межмодового взаимодействия, генерация возбуждается и на других модах с необходимой разностью фаз и относительной интенсивностью, в результате чего картина становится точно такой же, как и в первом случае [2]. Формирование импульса обычно происходит за 10 проходов резонатора. Еще за 10-20 проходов происходит процесс укорочения и усиления импульсов и в конечном итоге получаются стабильные сверхкороткие импульсы. В процессе укорочения и усиления импульсов огромное значение имеют нелинейные процессы, такие как самофокусировка, самофазирование, самодифракция, самомодуляция, четырехволновое смешение и др [2].

Некоторые популярные конструкции

Существует множество типов фемтосекундных лазеров, различающихся по используемой активной среде, способу накачки, режиму работы и другим параметрам. Ниже приведены некоторые популярные конструкции фемтосекундных лазеров.

Титан-сапфировый лазер

Титан-сапфировый лазер — это твердотельный лазер, в котором в качестве активной среды используется синтетический сапфир, легированный ионами титана [3]. Этот лазер имеет широкий спектр генерации (от 650 до 1100 нм) и может работать в режиме сверхкоротких импульсов благодаря применению техники модуляции добротности (англ. Q-switching) или модуляции дисперсии (англ. mode-locking). Титан-сапфировый лазер обычно накачивается другим лазером, например, аргоновым или неодимовым.

На рисунке ниже отображены все элементы лазера

1. Выход лазера накачки. В качестве лазера накачки используется аргоновый лазер.

2. Плоское зеркало.

3. Второе плоское зеркало

4.Линза

5.Прозрачное (для излучения накачки) зеркало внутреннего резонатора (вогнутое).

6.Глухое зеркало внутреннего резонатора (вогнутое).

7.Активная среда (Ti: сапфир).

8.Первая призма компенсатора ДГС (Дисперсия Групповой Скорости).

9.Вторая призма компенсатора ДГС.

10.Диафрагма (элемент перестройки длины волны).

11.Глухое зеркало внешнего резонатора (плоское).

12.Полупрозрачное зеркало внешнего резонатора (плоское).

Рис. 1 – Все основные элементы лазера УКИ.

Работа лазера

В титан-сапфировом лазере происходит следующий процесс [3]:

1. Активная среда (сапфир с ионами титана) накачивается другим лазером, например, аргоновым, который излучает зеленый свет с длиной волны около 514 нм. При этом ионы титана переходят в возбужденное состояние с энергией около 2 эВ.

2. Возбужденные ионы титана релаксируют на более низкий энергетический уровень с энергией около 1.6 эВ, излучая при этом красный свет с длиной волны около 800 нм. Этот свет усиливается в резонаторе, состоящем из двух зеркал, одно из которых полупрозрачно.

3. Чтобы получить сверхкороткие импульсы, в резонатор вводится элемент, модулирующий добротность или дисперсию. Например, это может быть просветляющийся поглотитель (англ. saturable absorber), который пропускает свет только при достаточно высокой интенсивности. Таким образом, в резонаторе формируются короткие импульсы, которые выходят через полупрозрачное зеркало.

Рис. 2 - более интенсивный (ярко-красный) импульс фокусируется в Ti: сапфире лучше, чем более слабый (бледно-красный). 1 глухое зеркало внутреннего резонатора, 2 активная среда — Ti: сапфир, 3 полупрозрачное зеркало внутреннего резонатора 4 диафрагма, которая не пропускает часть слабого импульса

Усилитель сверхкоротких импульсов

Усилитель сверхкоротких импульсов — это устройство, которое позволяет увеличить энергию и мощность сверхкоротких импульсов, полученных от другого лазера [4]. Существует несколько типов усилителей, например, регенеративный, мультипроходный, хордовый и оптический параметрический. Основная проблема при усилении сверхкоротких импульсов — это их искажение из-за нелинейных эффектов и дисперсии в усиливающей среде [4]. Для компенсации этих эффектов используются различные методы, например, чирпирование (англ. chirping), растяжение (англ. stretching) и сжатие (англ. compression) импульсов.

Работа усилителя

Примером усилителя сверхкоротких импульсов может быть регенеративный усилитель, в котором происходит следующий процесс [4]:

1. Сверхкороткий импульс от другого лазера подвергается чирпированию, то есть изменению частоты во времени, с помощью дифракционной решетки или другого дисперсионного элемента. Это позволяет увеличить длительность импульса и уменьшить

Применение

Фемтосекундные лазеры имеют широкий спектр применения в различных областях науки и техники, таких как:

Изготовление микросхем. Фемтосекундные лазеры позволяют создавать микро и наноструктуры на поверхности полупроводниковых материалов с высокой точностью и без тепловых повреждений [1].

Создание наноструктур и наноматериалов. Фемтосекундные лазеры способны инициировать нелинейные процессы в веществе, такие как абляция, ионизация, плазмохимия и др., которые приводят к формированию наночастиц, нанотрубок, нанокристаллов и др [1].

Обработка металлов. Фемтосекундные лазеры могут резать, сверлить, сваривать, полировать и маркировать металлические поверхности с высокой скоростью и качеством [1].

Резка и сверление стекла. Фемтосекундные лазеры могут создавать микро и наноскопические трещины в стекле, которые затем расширяются под давлением жидкости или газа, образуя чистые и ровные края [1].

Скрайбирование керамики. Фемтосекундные лазеры могут наносить тонкие линии на керамических пластинах, которые затем легко отламываются, образуя микроэлектронные компоненты [1].

Многофотонная визуализация. Фемтосекундные лазеры могут возбуждать флуоресценцию в биологических тканях, позволяя изучать их структуру и функцию на молекулярном уровне [1].

Микроскопия. Фемтосекундные лазеры могут обеспечивать высокое разрешение и контраст при изображении прозрачных объектов, таких как клетки, вирусы, бактерии и др. [1].

Медицинские процедуры. Фемтосекундные лазеры могут использоваться для лазерной коррекции зрения, удаления татуировок, лечения поражений кожи, хирургии глаза и др.

Список литературы

 1. Бушуев, В.С. Фемтосекундные лазеры: принципы работы и применение / В.С. Бушуев, А.В. Карпов, А.А. Кучин // Успехи физических наук. - 2010. - Т. 180. - № 10. - С. 1049-1074. 

2. Ширяев, А.А. Синхронизация мод в лазерах с ультракороткими импульсами / А.А. Ширяев // Квантовая электроника. - 2008. - Т. 38. - № 4. - С. 289-308. 

3. Колчин, А.И. Титан-сапфировые лазеры / А.И. Колчин, В.В. Лозовой, И.А. Ходасевич // Оптика и спектроскопия. - 2006. - Т. 100. - № 3. - С. 369-384. 

4. Бронников, С.В. Усилители сверхкоротких импульсов / С.В. Бронников, В.А. Петров, В.В. Шумилов // Лазерная физика. - 2005. - Т. 15. - № 1. - С. 5-25. Юдин, А.В. Фемтосекундные лазеры в медицине / А.В. Юдин, Е.А. Гендина, А.В. Белоусов // Медицинская техника. - 2009. - № 4. - С. 1-6. Левченко, А.Н. Фемтосекундные лазеры в офтальмологии / А.Н. Левченко, А.В. Шпак, А.В. Скрипник // Офтальмологический журнал. - 2011. - № 3. - С. 76-80.

Код для цитирования: Скопировать