В данной статье я расскажу об основных достижениях науки и техники в области фемтосекундных импульсов. Помимо этого, изложу историю развития такого направления как фемтосекундная оптика, не забыв при этом упомянуть достижения в области фемтотехнологий.
Что такое это ваше "фемто" и как его потрогать?
Приставка “фемто” означает 10 в степени -15, что соответсвует одной миллионной части от одной миллиадрной (в общем очень и очень мало). Если говорить о длинах, то, к примеру, размер протона и нейтрона составляет порядка фемтометров. Если говорить о времени, то, например, характерное время протекания химических реакций составляет десятки фемтосекунд. Помимо этого, время отклика вещества на оптическое излучение – десятки пикосекунд, поэтому на масштабе фемтосекунд появляется возможность пронаблюдать и описать эти процессы.
В оптике приставка “фемто” чаще всего встречается при описании фемтосекундных электромагнитных импульсов – очень коротких по времени колебаний электромагнитных волн. Собственно говоря, раздел оптики, изучающий процессы генерации, детектирования и взаимодействия сверхкоротких (фемтосекундных) импульсов с различными средами называется фемтосекундная оптика.
Фемтосекундные импульсы обладают рядом преимуществ, из которых вытекают их применение:
- Высокое разрешение по времени, которое позволяется проводить измерение быстропротекающих процессов.
- Высокая частота повторения, которая является обязательным критерием для успешной реализации оптических линий связи.
- Высокая пиковая интенсивность при средних значениях энергии, которая находит своё применение для задач нелинейной оптики и сверхточной обработки материалов.
- Широкий частотный спектр, позволяющий улучшить работу оптической когерентной томографии.
Основу фемтосекундной оптики составляют методы лазерной генерации, нелинейная оптика, а также теория взаимодействия света с веществом.
А какие технологии используют фемтосекундные импульсы?
Фемтотехнологии используют перечисленные особенности фемтосекундных импульсов для ряда научно-технических задач, таких как:
- Обработка материалов: более высокая точность с более короткими импульсами, обработка хрупких материалов с меньшей энергией и более короткими импульсами
- Биомедицинская визуализация: двухфотонная микроскопия, субволновая визуализация.
- Медицинское применение: лазерная диагностика, создание лоскута роговицы с заданной толщиной.
- Генерация терагерцового излучения для создание новых стандартов связи и выявления взрывоопасных веществ.
Если говорить про более научные направления, то фемтосекундные импульсы позволяют в реальном времени наблюдать за химическими реакциями, время протекания которых достигает критически маленьких значений (Нобелевская премия: Ахмед Х. Зевайл, химия, 1999 г.). В 2005 году была экспериментальна продемонстрирована генерация фемтосекундной гребенки (Нобелевская премия: Тед В. Хенш и Джон Дж. Холл, физика, 2005 г.), а уже в 2018 году была получена Нобелевская премия за усиление чирпированных импульсов.
А буквально в этом году Нобелевская премия по физике была получена уже за генерацию аттосекундных импульсов, которые по длительности в 1000 раз меньше фемтосекундных импульсов. Использование таких импульсов позволит изучать сверхбыстрые электронные процессы внутри атомов и молекул (а дальше уже и некуда... или есть куда?).
Напоследок немного истории
Впервые генерация фемтосекундных импульсам была продемонстрирована в 1985 году, спустя почти что 20 лет после создания лазеров.
В первую очередь научное сообщество интересовали вопросы изучения реакции, происходящие в молекулах на ультракоротких временных масштабах. В случае работы с фемтосекундным излучением появляется возможность лучше понять и контролировать химические процессы на квантовом уровне.
Позже активное развитие получили нелинейные оптические процессы, когда при линейном нарастании входящей мощности излучения, излучение на выходе возрастает нелинейно. Открытие фемтосекундного излучения позволило сделать большой шаг в исследовании нелинейных процессов в веществе. Всё потому что распространение данного излучения в оптических средах без разрушения вещества оказалось возможным при гораздо больших интенсивностях, чем для более длинных импульсов. Это привело к возможности свободно наблюдать нелинейные явления, которые в поле импульсов больших длительностей наблюдаются редко. Например, достаточно необычное даже для пикосекундного диапазона (в 3 раза больше, чем фемтосекунда) явление сверхуширения временного спектра излучения (или генерация спектрального суперконтинуума) в поле фемтосекундных импульсов наблюдается практически во всех прозрачных средах.
В конце отмечу, что фемтотехнологиями в России занимаются достаточно много научных групп. В том числе лабораторая фемтосекундной оптики и фемтотехнологий Университета ИТМО.