Dla studentów &ndash O kształtowaniu impulsów femtosekundowych
Opowieść o kształtowaniu impulsów laserowych należy zacząć od zapoznania się z samymi impulsami laserowymi.
Co oznacza stwierdzenie krótki impuls? Może jest to czas błysku pioruna – 0,02 s,
a może czas błysku lampy
błyskowej – 0,001 s? Nie, w naszym przypadku słowo krótki oznacza impuls o czasie trwania zaledwie paru femtosekund
(1 fs = 10-15 s,
jedna milionowa miliardowej części sekundy). Jak długo trwa jedna femtosekunda? Aby dać wyczucie skali czasu, wyobraźmy
sobie, że światło w ciągu jednej sekundy przebywa odległość 300 000 km (około 7 okrążeń
wokół Ziemi), a w ciągu jednej femtosekundy zaledwie 0,3 mm!
Narzędziem pozwalającym generować tak krótkie impulsy światła są lasery pracujące w trybie mode-locking, generują one ciągi
impulsów o czasie trwania zaledwie paru femtosekund (więcej o samych laserach można znaleźć tutaj).
W najprostszym modelu zakłada się że impuls pochodzący z takiego lasera ma kształt gaussowski:
gdzie A jest amplitudą pola elektrycznego, a G – odwrotnością kwadratu czasu trwania impulsu.
Bardzo ważnym następstwem krótkiego czasu trwania impulsu jest jego szerokie widmo, zgodnie z transformatą
Fouriera:
Widać zatem, że widmo jest tym szersze, im impuls jest krótszy (iloczyn czasu trwania impulsu i szerokości widma
jest stały – dla impulsów fourierowsko ograniczonych). Dla ultrakrótkich impulsów myślenie o laserach jako źródłach
promieniowania monochromatycznego całkowicie zawodzi, gdyż widmo takich impulsów może obejmować nawet cały obszar
widzialny!
Naszym celem jest kształtowanie impulsów w czasie, aby uzyskać dowolnie wybrany profil czasowy. Niestety nie jest
dostępna żadna elektronika pozwalająca na modulację pola elektrycznego z taką szybkością (max. 10-10 s), z pomocą
przychodzi jednak fakt, że mamy do dyspozycji szerokie widmo impulsu (powyższy wzór). Kształtowanie impulsów
femtosekundowych opiera się na fakcie, że kształt impulsu w czasie jest ściśle powiązany z amplitudą i fazą
spektralną impulsu. Istnieje zatem możliwość zmiany kształtu impulsu poprzez zmianę amplitudy i fazy widma.
Jeżeli mielibyśmy urządzenie, które potrafiłoby modulować (osłabiać) wybrane częstości i zmieniać ich fazy,
wtedy amplituda spektralna impulsu wyjściowego miałaby postać:
przy czym funkcja opisująca modulację widma H(ω) (tzw. funkcja transferu), składa się z
dwóch członów
opisujących modulację amplitudy i fazy:
Kształt impulsu po przejściu przez takie
urządzenie do kształtowania wyrażał się będzie następującym wzorem (korzystając z odwrotnej transformaty Fouriera):
Fizyczną realizacją takiego schematu kształtowania impulsów jest tzw. układ 4f. Główną cechą takiego układu
jest istnienie w nim wyróżnionej płaszczyzny – tzw. płaszczyzny fourierowskiej – w której następuje przestrzenne
rozdzielenie składowych spektralnych impulsu wejściowego. Schemat takiego układu przedstawia rysunek 1.
Zasada działania takiego układu opiera się na tym, że impulsy pochodzące z lasera, padając na siatkę dyfrakcyjną doznają dyspersji kątowej (spowodowane jest to skończonym widmem takich impulsów). Następnie w odległości f od siatki ustawiona jest soczewka o długości ogniskowej równej f. Dzięki temu wiązka, po przejściu przez soczewkę, biegnie równolegle do osi układu, przy czym każda ze składowych monochromatycznych ulega ogniskowaniu w odległości f za soczewką, w płaszczyźnie fourierowskiej. W tym miejscu wstawione zostaje urządzenie pozwalające na realizację funkcji transferu H(ω) – modulacji widma. Najczęściej jest to modulator ciekłokrystaliczny. Modulator taki pozwala przechodzić różnym składowym widma z różnym współczynnikiem transmisji, oraz zmieniać ich fazę. Tak zmodulowane widmo ponownie zbierane jest przez drugą soczewkę i siatkę dyfrakcyjną, by na wyjściu uzyskać ukształtowane w czasie impulsy femtosekundowe. Tak ukształtowane impulsy służą do badania ultraszybkich reakcji chemicznych, kwantowej kontroli procesów chemicznych, do selektywnego wzbudzania izotopów, koherentnej kontroli procesów wielofotonowych i wielu innych zastosowań.
Paweł Wnuk
Powrót
