Американские ученые предложили простой метод компрессии (сжатия) мощных фемтосекундных оптических имульсов, позволяющий уменьшать их длительность в несколько раз.

Получение все более коротких импульсов - это искусство, в котором ученые постоянно совершенствуются на протяжении уже нескольких десятилетий. Оптические импульсы малой длительности требуются в самых разных областях - от достаточно стандартной уже спектроскопии с высоким временным разрешением, позволяющей исследовать быстро протекающие процессы, до лазерного ускорения частиц (см. наши новости "Настольная" физика высоких энергий: сегодня и завтра” и “Настольный ускоритель электронов”). Совсем недавно мы стали свидетелями преодоления фемтосекундного рубежа - три года назад впервые были зафиксирована генерация импульсов коротковолнового излучения аттосекундной длительности(см. нашу заметку "Первые шаги аттофизики"). Однако и генерация аттосекундных импульсов, и исследование множества сверхбыстрых процессов, и "настольные ускорители" - все это требует фемтосекундных импульсов оптического диапазона.

Фемтосекудными лазерными импульсами занимают уже три десятилетия. Важным моментов в получении ультракоротких импульсов является дальнейшее уменьшение длительности (компрессия) сгенерированного светового импульса с помощью специальных приемов. В процессе компрессии можно выделить два основных этапа - спектральное уширение и собственно сжатие импульса. Предельно малая длительность оптического импульса вследствие существования соотношения неопределенности связана с его энергетической шириной: чем меньше длительность импульса, тем большую энергетическую ширину он имеет. Поэтому спектральное уширение является необходимым условием для уменьшения длительности импульса. С целью увеличить спектральную ширину импульса его пропускают через нелинейную среду, показатель преломления которой меняется под действием электрического поля световой волны, что позволяет произвести меняющийся со временем сдвиг частоты. Однако само по себе спектральное уширение автоматически не ведет к укорочению импульса - необходимы специальные меры, позволяющие компенсировать дисперсию групповой скорости. Для непосредственного сжатия импульса обычно используют две параллельные дифракционные решетки, между которыми пропускается спектрально уширенный импульс. Поскольку каждой частоте соответствует свой угол дифракции и, соответственно, оптическая длина пути света зависит от его частоты, можно так подобрать угол падения света на решетку, чтобы по мере движения между двух решеток импульс естественным образом сжимался.

Методы работы с фемтосекундными импульсами уже отработаны, и сейчас научились получать предельно короткие световые импульсы длительностью менее 4 фс (и, как уже упоминалось, субфемтосекундные импульсы - в более коротковолновом диапазоне). Однако подавляющее большинство методов компрессии позволяет работать с фемтосекундными импульсами относительно малой интенсивности (энергия в импульсе в диапазоне от наноджоулей до сотен микроджоулей). Ученые из Университета Колорадо и Национального института стандартов разработали новый метод получения ультракоротких (длительностью ~ 10 фс) импульсов [1], который имеет два преимущества по сравнению с существующими: во-первых, он позволяет работать с импульсами с более высокой энергией (порядка нескольких миллиджоулей в импульсе) и, во-вторых, спектральное уширение и собственно сжатие импульса происходят в один этап.

Рис.1. Измеренная в эксперименте форма лазерного импульса на входе в волновод (сплошная линия) и на выходе из волновода (штриховая линия).

Основным рабочим элементом в новом методе является короткий полый волновод, заполненный газом. Исследователи фокусировали мощные фемтосекундные импульсы (длина волны света ~ 800 нм, длительность импульса ~ 30 фс, энергия в импульсе - 2.2 мДж) на входе короткого полого волновода (длина - 2.3 см, внутренний диаметр волновода - 150 мкм) в пятно размером порядка 50 мкм. Волновод был заполнен аргоном при давлении порядка нескольких торр; перед входом в волновод и после выхода из него поддерживался вакуум. Интенсивность электрического поля на входе в волновод (~ 10¹⁵ Вт/см²) была достаточной, чтобы газ оказывался полностью ионизован уже передним фронтом импульса. По мере быстрой ионизации газа на переднем фронте импульса резко изменяется (уменьшается) показатель преломления, что приводит к спектральному уширению импульса (и небольшому сдвигу в коротковолновую сторону). По мере движения в волноводе благодаря одновременному действию нескольких различных эффектов происходит сжатие импульса и на выходе удается уменьшить длительность импульса в несколько раз - до 13 фс (при давлении газа, равном 4 торр - рис.1).

Исследователи подчеркивают, что с помощью моделирования удается воспроизвести процесс сжатия импульса только в рамках трехмерной , но не одномерной, модели, что должно, по их мнению, дать новый импульс дальнейшему развитию моделирования взаимодействия лазерного излучения с плазмой в трех измерениях. Сам же метод, не требующий дополнительного этапа компенсации дисперсии, в силу своей простоты и возможности работы с высокоэнергетичными импульсами, как они предполагают, может найти применение во многих областях науки, где требуется работать с мощными ультракороткими импульсами.

1. Nicholas L. Wagner, Emily A. Gibson, Tenio Popmintchev, Ivan P. Christov, Margaret M. Murnane, and Henry C. Kapteyn. Phys.Rev.Lett, v.93, 173902 (2004).

Е.Онищенко