КУРС ЛЕКЦИЙ МИФИ 2015 ИОФ РАН ЛАЗЕРЫ УЛЬТРАКОРОТКИХ

КУРС ЛЕКЦИЙ МИФИ 2015 ИОФ РАН ЛАЗЕРЫ УЛЬТРАКОРОТКИХ ИМПУЛЬСОВ Механизмы и способы генерации и усиления ультракоротких (пс и фс) лазерных импульсов; методы измерения их основных параметров; практические применения. Гарнов Сергей Владимирович Институт общей физики им. А. М. Прохорова РАН ИОФРАН Лекция № 10. 30 апреля 2015 г. 1. Измерение длительности фемтосекундных УКИ автокорреляционными методами на основе спектрально-временных преобразований импульсов. 2. Применения УКИ: лазерная обработка материалов; оптические часы. ССD спектрометр

ИОФ РАН Измерение длительности УКИ: Методы спектральной интерферометрии. спектральной R

ИОФ РАН Методы спектральной интерферометрии. спектральной ? = количество энергии попавшее на каждую ячейку CCD за время измерения 2. , , : , CCD

ИОФ РАН Методы спектральной интерферометрии. спектральной фильм Здесь все гармоники сфазированы

ИОФ РАН Методы спектральной интерферометрии. спектральной ? ? ? Сумма многих волн: m=1, 2, 3, 4, …. . Все волны разделяться в пространстве спектральным прибором : Этот ряд, по сути, и есть РЕГИСТРИРУЕМЫЙ ПРИБОРОМ спектр импульса E(t) Закон сохранения энергии!

ИОФ РАН Преобразование Фурье функции f(t): Обратное Фурье преобразование :

ИОФ РАН Преобразование Фурье Дискретная сумма многих волн: Одиночный импульс E(t) : ‘непрерывная’ сумма многих волн: Эта функция есть ‘энергетический’ спектр (спектральная плотность) импульса E(t) Энергия спектральной компоненты импульса E(t) РЕГИСТРИРУЕМАЯ ПРИБОРОМ

ИОФ РАН Автокорреляционные методы на основе Н-О спектральных преобразований: «FROG» - Frequency-Resolved Optical Gating www. swampoptics. com Prof. Rick Trebino IFROG 2 - спектр делитель пучка E (t–t) при некотором = 0 нелинейный кристалл 2 ССD спектрометр переменная задержка E (t) E 2 (t, t) E (t-t)

: О групповой скорости и чирпировании УКИ ИОФ РАН Гауссов импульс: t 1/2 in = 20 фс, 0 in =800 нм, 1/2 in = 48 нм; пролетает сквозь плавленый кварц: L= 20 мм. На выходе: t 1/2 out = 104 фс, 0 out =800 нм , 1/2 out = 48 нм ;

О групповой скорости и чирпировании УКИ ИОФ РАН

Примеры: «FROG» ИОФ РАН Спектры импульсов : E 0(t) E 0 chirp(t) =880 нм =760 нм ( ) 2 E 0 chirp( ) 2

ИОФ РАН E 0 (t) Примеры: «FROG» в двух измерениях: , . E 0 chirp(t) E 0 (t–t) E 0 (t) Спектры импульсов : E 0 ( ) 2 E 0 chirp( ) 2

ИОФ РАН Примеры: «FROG»

ИОФ РАН Примеры: «FROG» Спектры импульсов : E 1 ( ) 2 E 1 chirp( ) 2

Примеры: «FROG» ИОФ РАН фильм www. swampoptics. com

ИОФ РАН Примеры: «FROG» www. swampoptics. com

ИОФ РАН Применения лазеров УКИ (НЕКОТОРЫЕ ПРИМЕРЫ)

ИОФ РАН Лазерная обработка материалов: длинные и короткие лазерные импульсы «Длинный» лазерный импульс – мкс, нс «Короткий» лазерный импульс – фс, пс http: //www. cmxr. com/Education/L-Animation. html

ИОФ РАН Лазерная обработка материалов: длинные и короткие лазерные импульсы Animation - Long Pulses. swf Animation - Ultrafast Regime. swf http: //www. industrial-lasers. com/articles/2012/06/femtosecondlaser-micromachining-a-back-to-basics-primer. html

ИОФ РАН Формирование 3 D структур в прозрачных материалах – кристаллах, стеклах и т. д. 3 mm Формирование микроканалов в плавленом кварце УФ-фемтосекундными лазерными импульсами.

ИОФ РАН Лазерная метрология : «ОПТИЧЕСКИЕ ЧАСЫ»

ИОФ РАН Из чего состоят часы? Генератор Счетчик (генерирует периодические «события» ) (считает «события» и, следовательно, сообщает нам текущее время. ) ~~ ~~

ИОФ РАН КВАРЦЕВЫЕ ЧАСЫ Колебания будут Колебательный контур: происходить на LRC-генератор резонансной частоте электрических сигналов «кварца» кварц: Δf/f = 10 -10 Нестабильность частоты RC- и LC-генераторов Δf/f =10 -5. В 1929 году исследовательский центр Bell Labs разработал для NBS четыре высокоточных кварцевых осциллятора, генерирующих частоту 100 Гц и обладающих погрешностью 1*10 -9 секунды в день. Эта великолепная четверка продержалась в качестве стандарта частоты до пятидесятых годов прошлого столетия.

ИОФ РАН АТОМНЫЕ ЧАСЫ В 1967 году категория времени в Международной системе единиц SI стала определяться не астрономическими шкалами, а цезиевым стандартом частоты. Астрономическая секунда: 1/86400 часть периода вращения Земли Схема сверхтонких уровней перехода атомов изотопа цезия-133 =9 192 631 770 Гц 9. 192 109 Гц= 9. 192 ГГц ТСВЧ 108 10 -12 сек =108 пс.

АТОМНЫЕ ЧАСЫ ИОФ РАН Устройство классического цезиевого осциллятора на основе волновода Рэмси Детектор считает число возбужденных атомов Cs – чем их больше, тем ближе частота СВЧ поля, возбуждающего цезий к частоте стандарта - =9 192 631 770 Гц Положительная обратная связь непрерывно «подстраивает» и приближает частоту генератора СВЧ волны к этому значению. В результате получается чрезвычайно стабильная частота электромагнитной волны, которая и служит «генератором событий» !

ИОФ РАН NIST-F 1: погрешность в одну секунду за 20 миллионов лет

ИОФ РАН Оптические «ЛАЗЕРНЫЕ» ЧАСЫ Почему выгодно перейти в оптический диапазон? 1 сек : СВЧ: =9 192 631 770 Гц ТСВЧ 1. 08 10 -10 сек =108 пс. ТОПТ 1. 5 10 -15 сек =15 фс. ОПТ: =9 192 631 770 00 Гц !!! Аналогично атомным часам, обратная связь непрерывно «подстраивает» и приближает частоту лазера к частоте сверхузкого атомного резонанса. В результате получается чрезвычайно стабильная лазерная частота, которая и служит «генератором событий» ! НО, в отличие от СВЧ электромагнитной волны, ПОЛЕ и ЧАСТОТА которой напрямую измеряются электронными (СВЧ) схемами, ЧАСТОТУ ОПТИЧЕСКОГО излучения впрямую, с помощью существующих «осциллографов» , измерить не удается. ОДНАКО, был придуман чрезвычайно красивый способ, как это можно сделать с помощью лазеров УКИ! Scott A. Diddams 1, Jun Ye 2 and Leo Hollberg 1 1 Time and Frequency Division, National Institute of Standards and Technology 2 JILA, National Institute of Standards and Technology and University of Colorado

ИОФ РАН Две пионерские работы: J. N. Eckstein, A. I. Ferguson, and T. W. Hänsch, Phys. Rev. Lett. 40, 847 -850 (1978) - Пикосекундный лазер T. Udem, J. Reichert, R. Holzwarth, and T. W. Hänsch, Opt. Lett. 24, 881 -883 (1999) - Фемтосекундный лазер

ИОФ РАН Еще раз о синхронизации мод. Для резонатора длиной L= 1 м 2. 99 108/2 1=1. 499 108 Гц= 149. 9 МГц – диапазон времен/частот измеряемый прямыми методами! Моды резонатора на шкале частот : n-1 n n+1

ИОФ РАН Еще раз о синхронизации мод. Число синхронизированных мод M=2 m+1 M=5*105 период следования импульсов: Т=2 L/c

Гребенка или «оптическая» линейка частот ИОФ РАН период следования импульсов: Т=1/frep Возникновение ( «сползание» фазы) связано с различием ФАЗОВОЙ И ГРУППОВОЙ скорости распространения импульса в резонаторе, содержащим различные оптические элементы. Поскольку дисперсию групповой скорости можно компенсировать (см. предыдущие лекции о чирпированных импульсах), можно зафиксировать а, следовательно, зафиксировать и всю частотную «гребенку» – т. е. иметь набор множества точно фиксированных частот с каждой из которых, например, можно сравнивать и, тем самым, измерять неизвестную частоту.

Гребенка или «оптическая» линейка частот ИОФ РАН f 0 frep Гребенка частот : 0 n-1 n n+1 Гребенка импульсов frep : период следования импульсов: Т=1/frep Задание к зачету: Каким спектральным прибором (и с какими его параметрами) можно увидеть «зубцы» гребенки частот ? (L=1 м, Ti. Sa-лазер)