Перевод Надежды Корякиной
Определение: фемтосекундными называются лазеры, генерирующие импульсы длительностью от нескольких фемтосекунд до нескольких сотен фемтосекунд.
Фемтосекундный лазер генерирует световые импульсы длительностью значительно меньше пикосекунды (ультракороткие импульсы), т.е. с длительностью во времени фемтосекундного порядка (1 фс = 10-15с). Таким образом, он принадлежит к категории сверхбыстрых лазеров или лазеров ультракоротких импульсов. Генерация таких коротких импульсов практически достигнута с помощью технологии пассивной синхронизации мод.
Типы фемтосекундных лазеров:
Твердотельные лазеры на объемных кристаллах
Твердотельные лазеры с пассивной синхронизацией мод могут генерировать ультракороткие импульсы с хорошим качеством пучка с характерной длительностью 30 фс - 30 пс. Различные лазеры с диодной накачкой, например, у которых усиление накачки происходит при допировании неодимом или иттербием, работают в этом режиме со средней характерной мощностью в интервале от 100 мВт до 1 Вт. Титан-сапфировые лазеры с новой технологией компенсации дисперсии могут быть применены для создания длительности импульса меньше 10 фс, в особых случаях примерно 5 фс. Частота повторения импульсов обычно составляет от 50 МГц до 500 МГц, не принимая во внимание такие модели, у которых частота импульса низкая и составляет несколько мегагерц, и миниатюрные лазеры с частотой повторения импульсов в десятки гигагерц.
Волоконные лазеры
Для различных типов сверхбыстрых волоконных лазеров, которые также обычно работают в режиме пассивной синхронизации мод, характерная длительность импульсов составляет 50-500 фс, частота следования импульсов порядка 10-100 МГц и средняя мощность в несколько милливатт. Существенно более высокие мощность и энергию импульсов с помощью волоконных лазеров можно получить при использовании технологии «pulse stretch», иначе растянутых во времени частотно-модулированных лазерных импульсов или лазеров ( в комбинации с волоконным усилителем. Все методы, применяемые в волоконных лазерах, могут быть вполне экономически выгодны в массовом производстве, хотя усилия, направленные на разработку продукции высокого качества и надежной при эксплуатации, могут быть значительными из-за различных технических трудностей.
Лазеры на красителях
Лазеры на красителях доминировали в сфере получения ультракоротких импульсов до появления титан-сапфировых лазеров. Их ширина полосы усиления позволяет достигать длительности импульса порядка 10 фс, а различные лазерные красители подходят для генерации на различных длинах волн, чаще в видимом спектральном диапазоне.
В настоящее время фемтосекундные лазеры на красителях уже не так часто используются, главным образом из-за неудобств, связанных с обращением с лазерными красителями.
Полупроводниковые лазеры
Некоторые диодные лазеры с синхронизацией мод могут генерировать импульсы фемтосекундного порядка. Непосредственно на выходе лазер генерирует импульсы обычно длительностью, по меньшей мере, несколько сотен фемтосекунд, но при дополнительном сжатии импульсов могут быть получены гораздо более короткие импульсы.
Также это возможно для поверхностно-излучающих лазеров с вертикальным внешним резонатором с пассивной синхронизацией мод (VECSELs); они интересуют главным образом тем, что они могут сочетать в себе генерацию импульсов короткой длительности, высокую частоту следования импульсов, а иногда и высокую среднюю производимую мощность, однако они не рассчитаны на высокие показатели энергии импульсов.
Прочие фемтосекундные лазеры
Необычные типы фемтосекундных лазеров - лазеры на центрах окраски и лазеры на свободных электронах. Последние могут излучать фемтосекундные импульсы даже в виде рентгеновских лучей.
Важные параметры фемтосекундных лазеров
Ключевые эксплуатационные характеристики фемтосекундных лазеров следующие:
- - длительность импульса (которая в некоторых случаях настраивается в определенном интервале)
- - частота следования импульса (которая обычно фиксирована или настраивается, но только в небольшом интервале)
- - средняя мощность генерации и энергия импульса
Однако существуют различные дополнительные аспекты, которые могут быть важными:
- - коэффициент time–bandwidth product (TBP) (произведение длительности импульса на ширину спектра) показывает, насколько больше реальная спектральная ширина излучения по сравнению с необходимой для данной длительности импульса. Качество импульса включает в себя дополнительные аспекты, такие, как временнАя и спектральная формы импульса, например, наличие временнЫх или спектральных боковых лепестков.
- - некоторые фемтосекундные лазеры имеют стабильную линейную поляризацию на выходе, в то время как другие излучают волны с неопределенным типом поляризации.
- - шумовые параметры могут сильно различаться среди разных видов и моделей фемтосекундных лазеров. Они включают в себя jitter - дрожание относительно синхронизирующих импульсов, нестабильность энергии импульсов (шум интенсивности) и различные виды фазового шума. Кроме того, это может быть важно при проверке на стабильность параметров импульса, включая восприимчивость на внешние факторы, такие как механические вибрации и оптическая обратная связь.
- - Некоторые лазеры содержат встроенные средства синхронизации для стабилизации частоты повторения импульсов с внешним источником или на подстройку генерируемой длины волны.
- - выходная мощность лазера может передаваться в открытое пространство, например, через выходное окно, или через оптоволоконный выход.
- - Могут быть полезными встроенные опции для контролирования производимой мощности, длины волны и длительности импульса.
- - Другими важными параметрами лазеров являются размеры, потребляемая электрическая мощность, требования по охлаждению и интерфейсы для синхронизации или компьютерный контроля.
- Carrier–Envelope Offset - связь фазы несущей частоты и огибающей оптического импульса
