В 2018-м году Нобелевскую премию по физике получили французский ученый Жерар Муру и канадский ученый Донна Стрикленд. Премия была получена за открытие метода генерации высокоинтенсивных ультракоротких оптических импульсов или усиление чирпированных импульсов (с англ. chirped pulse amplification - CPA). Цель работы состояла в том, чтобы увеличить мощность фемтосекундных импульсов.
Фемтосекундное временное разрешение позволяет следить за фундаментальными процессами микромира, например, за движением электронов между атомами, внутренними колебаниями молекул и формированием химических связей в молекулах. Генерация столь коротких импульсов позволила пролить свет на физику многих биологических явлений, таких как возбужденные состояния ДНК и процессы переноса в фотохимических реакционных центрах.
Однако на практике бывает важно, чтобы такие импульсы обладали большой мощность. Развитие методов генерации ультракоротких импульсов, позволило бы создавать источники излучения тераваттного и петаваттного уровня мощности. Лазеры со столь большими мощностями могут использоваться для осуществления термоядерного синтеза, а также для новых поколений «настольных» ускорителей заряженных частиц. Кроме того, мощные фемтосекундные импульсы используются для таких приложений, как лазерное микроструктурирование стекол, генерация терагерцового излучения, нелинейное зондирование атмосферы.
Принцип работы
Раз такие источники так важны, то в чем состояла проблема их сделать? Проблема усиления ультракоротких импульсов заключалась в том, что при попытке усилить фемтосекундные и пикосекундные импульсы высокой мощности, оптические компоненты могли быть повреждены из-за большой интенсивности излучения. Метод CPA решает эту проблему следующим образом:
1. Растяжение импульса: Исходный короткий импульс сначала растягивается во времени. Сделать это можно за счет эффекта дисперсии среды, который заключается в том, что оптические характеристики среды зависят от длины волны излучения. Это означает, что для разных длин волн (цветов) существует свой показатель преломления, который влияет на фазовую скорость излучения. Для сред с положительной дисперсией красный свет (большая длина волны) бежит с большей скоростью, чем синий цвет (меньшая длина волны). То есть можно пропустить наш фемтосекундный импульс, который обладает конечным спектром, через диспергирующую среду (например, через обычное стекло), тогда на выходе из среды мы получим чирпированный импульс (импульс, у которого разные длины волн расположены в разные временные промежутки). Однако эффект этот будет незначительный, так что нам придется либо брать ооооочень толстое стекло (что тоже не есть хорошо из-за большого поглощения) или выбрать другую диспергирующую среду. В качестве такой среды можно выбрать устройство под названием стретчер. Данное устройство может быть собрано из двух призм или двух дифракционных решеток (устройства для разложения света в спектр). Схема этого устройства показана на рисунке ниже.
В результате прохождения света через среду с положительной дисперсией, импульс становится чирпированный и его энергия распределяется на более длительный промежуток времени, что снижает его пиковую мощность и уменьшает риск повреждения усилителя, который расположен дальше по схеме.
2. Усиление: Растянутый чирпированный импульс проходит через лазерный усилитель. Поскольку длительность импульса увеличена, его пиковая мощность значительно снижается (за счет закона сохранения энергии), что позволяет избежать повреждения усилительных сред. Усиление происходит за счёт передачи энергии от внешнего источника (например, накачки) к импульсу. В качестве усилителя могут использоваться различные среды, такие как твердотельные лазеры (на основе кристаллов, например, титансапфировых), волоконные лазеры или другие типы лазерных усилителей.
3. Сжатие импульса: После усиления импульс снова сжимается до первоначальной короткой длительности. Это осуществляется с помощью аналогичных дисперсионных устройств, используемых на первом этапе, но в обратном порядке. То есть наш импульс, прошедший когда-то через среду с положительной дисперсией, необходимо вернуть в исходное состояние по длительности. Сделать это можно с помощью сред с отрицательной дисперсией (где синий цвет бежит быстрее красного). Примером такой среды может служить устройство под названием компрессор. Схема его работы так же представлена ниже. В результате мощность импульса значительно возрастает относительно исходной, а сама длительность остаётся неизменной.
Эти 3 пункта повторяются множество раз пока итоговый импульс не будет иметь заданную высокую мощность.
Вклад в науку и технику
Создание метода усиления чирпированных импульсов открыла новые возможности для исследований и технологий, включая:
- Медицину: CPA позволяет создавать лазеры, которые используются в прецизионных хирургических процедурах, таких как корректировка зрения методом LASIK.
- Физику: Ультракороткие импульсы используются для изучения быстрых процессов на атомарном и молекулярном уровнях.
- Материаловедение: Лазеры CPA применяются для обработки материалов с высокой точностью, что важно для микроэлектроники и нанотехнологий.
