Слайд 2
Цель лекций:
Дать представление аудитории о принципах работы лазеров
ультракоротких импульсов (УКИ) пикосекундного (~10-11-10-12с) и
фемтосекундного (~10-13-10-14с)
диапазонов,
методах измерения их основных параметров - длительности, интенсивности, спектрального состава, контраста,
а также о современных областях применения таких лазеров в физике, технике, биологии и медицине.
Слайд 3
Предмет лекций:
В рамках курса будут рассмотрены механизмы и
способы генерации и усиления ультракоротких лазерных импульсов пикосекундного и
фемтосекундного диапазона, а также методы измерения и инструментарий используемые для характеризации их основных параметров.
Будут рассмотрены схемы наиболее широко используемых лазеров УКИ и примеры их применения в физике, технике, биологии и медицине.
Лекционный курс будет включать демонстрацию действующих лазерных систем УКИ в лабораториях ИОФРАН.
Вопросы по ходу лекции приветствуются.
Посещение лекций: выбор слушателя.
Проверка полученных знаний: выбор преподавателя.
Слайд 4
Учебные пособия:
Основные:
1. Херман И., Вильгельми Б. Лазеры сверхкоротких
световых импульсов // М.: МИР, 1986, 368 с.
2. Ахманов
С.А., Выслоух В.А., Чиркин А.С. Оптика фемтосекундных лазерных импульсов // М.: Наука, 1988, 312 с.
3. Крюков П.Г. Лазеры ультракоротких импульсов и их применения // М.: Интеллект, 2012, 248 с.
Дополнительные:
1. Звелто O. Принципы лазеров // М.: МИР, 1990, 559 с.
2. Беспалов В. Г., Козлов С. А., Крылов В. Н., Путилин С. Э. Фемтосекундная оптика и фемтотехнологии // Санкт-Петербург: СПбГУ ИТМО, 2010, 234 с. http://window.edu.ru/resource/762/72762/files/itmo512.pdf, http://books.ifmo.ru/book/624/femtosekundnaya_optika_i_femtotehnologii.htm
3. Ким А.В, Рябикин М.Ю., Сергеев А.М. От фемтосекундных к аттосекундным импульсам. – Успехи физических наук, 1999, Т.169, №1, С.85-103.
4. Желтиков А.М. Сверхкороткие импульсы и методы нелинейной оптики. – М.: Физматлит, 2006, 296 с.
Слайд 5
GOOGLE :«laser» –
Результатов: примерно 547 000 000 (0,31 сек.) (11.02.2015)
Результатов: примерно 622 000 000 (05.12.2012)
Результатов: примерно 354 000 000 (30.05.2011)
Результатов:
примерно 145 000 000 (05.05.2010)
Слайд 6
Лазерный термоядерный синтез
В 1962 году Н.Г. Басов и
О.Н. Крохин высказывают смелую идею об осуществимости термоядерного синтеза
при нагреве мишени излучением лазера, положив начало новому мощному научно-техническому направлению -- лазерному термоядерному синтезу (ЛТС).
В России, в РФЯЦ-ВНИИЭФ (г.Саров) начато создание установки мегаджоульного уровня УФЛ-2М на длине волны второй гармоники неодима
с длительностью импульса 3 нс.
National Ignition Facility
Слайд 7
Charles Hard Townes , MIT, USA, 1/2
1915 г.р.
Николай
Геннадиевич Басов , ФИАН, СССР, 1/4
1922- 2001гг.
Александр Михайлович Прохоров
, ФИАН, СССР,1/4
1916-2002 гг.
Основатели лазерной эры.
Слайд 8
Нобелевская премия по физике 1964 г.
"for fundamental
work in the field of quantum electronics, which has
led to the construction of oscillators and amplifiers based on the maser-laser principle"
«за фундаментальные работы в области квантовой электроники, которые привели к созданию излучателей и усилителей на лазерно-мазерном принципе»
construction of : 1) конструирование; проектирование 2) сооружение; постройка 3) строительство;
4) истолкование, объяснение
создание: 1) creation, making developing,
Слайд 10
Первая публикация о рубиновом лазере:
«Stimulated Optical Radiation in
Ruby»
T. H. MAIMAN
Nature 187, 493 - 494 (6, August, 1960)
Т. Мэйман - 16 мая, 1960
Hughes Research Laboratories, California, USA
Theodore Harold Maiman, 1927-2007
Слайд 11
Как излучается свет?
Эти радиационные переходы могут быть
как спонтанными, так и вынужденными –«стимулированными» самими световыми квантами.
h = E1-E0
Фотон, «рожденный» в результате такого вынужденного перехода – является копией фотона, стимулировавшего этот переход.
Количество квантов увеличилось вдвое – произошло усиление света в результате вынужденного излучения.
Этот процесс лежит в основе принципа действия лазеров.
E1 >E0
Слайд 12
ЛАЗЕР, от английского сокращения “LASER” –
Light Amplification
by Stimulated Emission of Radiation:
“Усиление Света за счет Вынужденного
Испускания Излучения”
Что нужно для эффективного вынужденного усиления света?
1. Выбрать подходящую физическую систему – «лазерную среду» (газы; растворы органических и неорганических соединений; кристаллы с внедренными «примесями» и т.п.);
2. Перевести систему в возбужденное состояние;
3. Обеспечить эффективное взаимодействие фотонов с возбужденной лазерной средой.
h = E1-E0
Источник «накачки»: свет; электрический разряд; химическая реакция и т.п.
Такая «трехуровневая» схема была реализована в первом созданном лазере на кристалле рубина (1960г.).
Слайд 13
Оптический резонатор – это устройство, осуществляющее «положительную обратную
связь». Оптический (открытый) резонатор состоит из двух съюстированных зеркал,
одно из которых полупрозрачное.
Отразившись от зеркала, фотоны возвращаются в активную среду и «стимулируют» рождение новых фотонов: между зеркалами движется быстро нарастающая «фотонная лавина» и формируется лазерный луч.
Принципиальная схема лазера. Оптический резонатор.
Слайд 15
Мгновенные изображения быстро протекающих процессов.
СВЕРХКОРОТКАЯ ВСПЫШКА СВЕТА –
ЛАЗЕРНЫЙ ИМПУЛЬС
Слайд 16
10×2 µm2
Динамика формирования фемтосекундной лазерной микроплазмы
Микроплазма пробоя
воздуха. Временная задержка зондирующего импульса 10 пс
Слайд 17
Как получить короткую вспышку света – короткий лазерный
импульс?
Длительность вспышки Т определяется:
1. Временем развития и затухания
плазмы
2. Временем срабатывания ключа –замыкателя
3. Паразитными емкостями и индуктивностями электрической цепи
Т 1 сек-10-6 сек
Длительность вспышки Т определяется временем горения магния : Т10-3 сек
Слайд 18
Электрооптический затвор.
Эффект Керра или Поккельса
U(t)
Минимальная длительность
вырезанного импульса не меньше времени включения/выключения затвора : Т100
пс
(определяется паразитными емкостями и индуктивностями электрической цепи)
Слайд 19
УКИ - ультракороткий лазерный импульс.
Что это такое?
х
Слайд 20
Ультракороткий лазерный импульс.
Чем больше число периодов колебаний поля,
тем уже спектр импульса.
И, наоборот, - чем меньше периодов,
тем спектр импульса шире.
Слайд 21
Это т.н. «чирпированые»
импульсы
Другие УКИ.
Слайд 22
Как сгенерировать ультракороткий лазерный импульс?
Слайд 24
Моды резонатора
На длине резонатора, укладывается целое число
полуволн «светового» поля.
Слайд 25
Продольные моды резонатора.
Гассовы пучки.
Слайд 26
Поперечные моды резонатора.
Мn,m моды.
Слайд 27
Y1(t)=cos(1*t)
Y2(t)=cos(2*t)
Синхронизация мод резонатора
Y1(t) + Y2(t)=???
По мере увеличения числа
слагаемых мод, фазы которых остаются неизменными, длительность «пичков» сокращается,
а период «пичков» остается неизменным и равным «времени обхода резонатора» : 2L/c.
ДОКАЗАТЬ самостоятельно.
Слайд 28
Синхронизация мод резонатора
Если фазы слагаемых мод НЕ остаются
неизменными, столь регулярной картины не наблюдается!
СЛЕДОВАТЕЛЬНО, нам надо иметь
достаточно много СФАЗИРОВАННЫХ мод.
Слайд 29
Гарнов Сергей Владимирович
Институт общей физики им. А.М. Прохорова
РАН ИОФРАН
Лекция №2. 12 февраля 2015 г.
Принципы
генерации УКИ. Активная и пассивная синхронизация мод. Акустооптические и электрооптические модуляторы Насыщающиеся оптические среды. Активные среды различных типов лазеров и источники накачки.
ЛАЗЕРЫ УЛЬТРАКОРОТКИХ ИМПУЛЬСОВ Механизмы и способы генерации и усиления ультракоротких (пс и фс) лазерных импульсов; методы измерения их основных параметров;практические применения.
КУРС ЛЕКЦИЙ МИФИ 2015
Слайд 30
Синхронизация мод резонатора.
Как синхронизовать моды?
http://www.rp-photonics.com/mode_locking.html
Период следования «пичков» т.е.
УКИ неизменен и равен времени обхода резонатора
2L/c.
Самостоятельно промоделировать сложение синусоид с одинаковыми фазами и разными АМПЛИТУДАМИ
Слайд 31
Синхронизация мод резонатора.
Синхронизованные моды.
Принцип синхронизации мод состоит во
внесении «потерь добротности» в резонатор с периодичностью равной времени
обхода 2L/c. БОльшую часть времени потери (например, поглощение излучения) д.б. велики для того, чтобы подавить несфазированное лазерное поле внутри резонатора и «пропускать без потерь циркулирующий по резонатору одиночный лазерный импульс.
Слайд 32
Синхронизация мод резонатора.
Активная и пассивная синхронизация.
активная синхронизация
пассивная синхронизация
Слайд 33
Синхронизация мод резонатора.
Активная синхронизация.
Принцип активной синхронизации мод состоит
в преднамеренном т.е. активном внесении «потерь добротности» в резонатор
с периодичностью равной времени обхода 2L/c. БОльшую часть времени потери (например, поглощение излучения) д.б. велики для того, чтобы подавить несфазированное лазерное поле внутри резонатора.
потери в резонаторе
Слайд 34
Активная синхронизация мод.
Акустооптический модулятор.
Принцип работы: отклонение светового (лазерного)
луча за счет его дифракции ( отклонения) на решетке
показателя преломления (Бреговская дифракция) создаваемой в кристалле кварца, ниобата лития, стекле и т.д. звуковыми (механическими!) колебаниями пьезоэлектрического генератора, к которому прикладывается переменное напряжение в десятки вольт с частотой равной c/2L. L=1м, с=3х1010 см/сек, 150 МГц.
Слайд 35
Активная синхронизация мод.
Электрооптический модулятор.
U(t)
Принцип работы: вывод несфазированного светового
потока из резонатора за счет периодического изменения поляризации в
результате электрооптического эффекта в кристалле (ниобата лития, КДП, ДКДП и т.д), к которому прикладывается переменное напряжение в сотни вольт с частотой
равной c/2L. L=1м, с=3х1010 см/сек, 150 МГц.
Слайд 36
Синхронизация мод резонатора.
Пассивная синхронизация на основе насыщающегося поглотителя.
Принцип
работы основан на нелинейно-оптическим эффекте «просветления» среды в интенсивном
световом (лазерном) поле за счет опустошения нижнего уровня и заполнения верхнего уровня. В шумовой структуре несфазированных мод в резонаторе могут появляться выбросы поля («пички») с большой интенсивностью достаточной для возникновения такого процесса . НЕОБХОДИМО не только быстрое насыщение поглотителя, но его быстрая релаксация в невозбужденное состояние для предотвращения пропускания сопутствующих низкоинтенсивных шумовых импульсов. Времена релаксации лежат в диапазоне 1 нс -10 пс. Поглотители изготавливаются на основе органических красителей и позволяют генерировать импульсы до нескольких пс.
меньше число фотонов может поглотиться!
Слайд 37
Синхронизация мод резонатора.
Пассивная синхронизация.
просветление пассивного затвора
Слайд 38
Синхронизация мод резонатора.
Пассивная синхронизация на основе механизма «Керровской
линзы»
Принцип работы основан на нелинейно-оптическим эффекте Керра : увеличения
показателя преломления среды под действием интенсивного лазерного импульса приводящего к самофокусировке лазерного пучка и уменьшению его расходимости. В шумовой структуре несфазированных мод в резонаторе могут появляться выбросы поля («пички») с большой интенсивностью достаточной для возникновения такого процесса. Времена возникновения и релаксации Керровской линзы лежат в диапазоне 1 пс - 10 фс. Это позволяет генерировать импульсы от десятков до нескольких фемтосекунд! При этом, Керровской средой, как правило, служит сама активная среда лазера, в частности кристалл наиболее широко распространенных фемтосекундных Ti-Sa лазеров.
