Материалы портала «Научная Россия»

Новый метод оптической метрологии ультракоротких импульсов на основе спектральных измерений

Новый метод оптической метрологии ультракоротких импульсов на основе спектральных измерений
Новый метод оптической метрологии ультракоротких импульсов на основе спектральных измерений

Важность достижений фемтосекундной лазерной физики, оперирующей с сигналами длительностью от единиц до сотен фемтосекунд (1 фс = 10-15 с), наиболее сильно стала ощущаться в последние годы с осознанием их потенциальной значимости. Фемтосекундные лазерные системы оказывают всё возрастающее влияние на многие стороны нашей жизни, например, биомедицину, мониторинг и охрану окружающей среды, дистанционную диагностику, не говоря уже о технических и технологических областях.

Метрология ультракоротких оптических импульсов является важной задачей лазерной физики. Для получения полной информации об импульсе требуется знать спектр, энергию, распределение временной интенсивности и фазу. Измерение спектра и энергии не представляет затруднений, а вот измерение временного профиля и фазы является сложной проблемой из-за исключительно малой длительности. Традиционные подходы с использованием фотоэлектронных устройств в сочетании с самыми быстродействующими осциллографами обеспечивают временное разрешение, на порядки уступающее длительности самих измеряемых сигналов. Поэтому для характеризации ультракоротких импульсов применяют оптические методы, основанные на нелинейном взаимодействии со средой и интерференции измеряемого импульса со своей репликой или с рэперным сигналом. Наиболее распространенные методики, основаные на генерации второй гармоники в нелинейных кристаллах, как правило, имеют неоднозначность при выборе направления временной оси – нельзя определить, где у импульса передний фронт, а где задний. Кроме того, возникают проблемы при реконструкции импульсов со сложной структурой, например, двойных импульсов.

Развитие простого, надежного, относительно дешевого метода для характеризации электрического поля сигналов, имеющих временные масштабы в сотни или десятки фемтосекунд, безусловно, способствует прогрессу во многих областях, связанных с применением таких сигналов. Нами предложен новый метод измерения электрического поля ультракоротких оптических импульсов, генерируемых как мощными лазерными комплексами с петаваттным уровнем пиковой мощности (1 ПВт = 1015 Вт), так и менее мощными установками, включая оптоволоконные лазерные системы. Метод основан на регистрации спектра исходного сигнала и двух дополнительных спектров, полученных в результате преобразования в средах с кубичной оптической нелинейностью – стеклах или полимерных пленках в случае мощных систем и отрезках нелинейных световодов в случае волоконных систем. При помощи специально разработанного итерационного компьютерного алгоритма происходит обработка трех спектральных измерений, позволяющая восстановить электрическое поле волны, т.е. реконструировать распределение интенсивности и фазу. Преимуществами метода являются его простота, относительно низкая стоимость, надежность и отсутствие неоднозначностей, связанных с направлением времени, что позволяет характеризовать сложные сигналы, для которых многие другие методы могут давать некорректные результаты.

Вначале с помощью созданной программы проводилось восстановление смоделированных сигналов – изучалось влияние шумов, наличие «неидеальностей» и погрешностей, которые могут возникнуть при экспериментальных измерениях. После проведения серий численных экспериментов, анализа полученных данных и отладки компьютерного кода, данный метод был успешно применен в ИПФ РАН для лабораторных измерений импульсов на стартовой части петаваттного лазерного комплекса PEARL. Было получено хорошее согласие с результатами независимых автокорреляционных измерений, а также восстановлены специально приготовленные особенности импульсов – заранее известные квадратичные и кубичные добавки к спектральным фазам и двойные структуры. Метод также успешно применен для характеризации сигналов с выхода оптоволоконного источника.

 

Схема метода

 

Название изображения

 

 

 

 

Анашкина Елена Александровна, ст.научный сотрудник

отделения нелинейной динамики и оптики ИПФ РАН,

кандидат физико-математических наук. 

 

анашкина елена александровна ипф ран лазерная физика оптическая метрология спектральные измерения ультразвуковые импульсы фемтосекундная лазерная физика фемтосекундные лазерные системы

Назад

Социальные сети

Комментарии

Авторизуйтесь, чтобы оставить комментарий