Dla student�w &ndash O kszta�towaniu impuls�w femtosekundowych
Opowie�� o kszta�towaniu impuls�w laserowych nale�y zacz�� od zapoznania si� z samymi impulsami laserowymi.
Co oznacza stwierdzenie kr�tki impuls? Mo�e jest to czas b�ysku pioruna – 0,02 s,
a mo�e czas b�ysku lampy
b�yskowej – 0,001 s? Nie, w naszym przypadku s�owo kr�tki oznacza impuls o czasie trwania zaledwie paru femtosekund
(1 fs = 10-15 s,
jedna milionowa miliardowej cz�ci sekundy). Jak d�ugo trwa jedna femtosekunda? Aby da� wyczucie skali czasu, wyobra�my
sobie, �e �wiat�o w ci�gu jednej sekundy przebywa odleg�o�� 300 000 km (oko�o 7 okr��e�
wok� Ziemi), a w ci�gu jednej femtosekundy zaledwie 0,3 mm!
Narz�dziem pozwalaj�cym generowa� tak kr�tkie impulsy �wiat�a s� lasery pracuj�ce w trybie mode-locking, generuj� one ci�gi
impuls�w o czasie trwania zaledwie paru femtosekund (wi�cej o samych laserach mo�na znale�� tutaj).
W najprostszym modelu zak�ada si� �e impuls pochodz�cy z takiego lasera ma kszta�t gaussowski:
gdzie A jest amplitud� pola elektrycznego, a G – odwrotno�ci� kwadratu czasu trwania impulsu.
Bardzo wa�nym nast�pstwem kr�tkiego czasu trwania impulsu jest jego szerokie widmo, zgodnie z transformat�
Fouriera:
Wida� zatem, �e widmo jest tym szersze, im impuls jest kr�tszy (iloczyn czasu trwania impulsu i szeroko�ci widma
jest sta�y – dla impuls�w fourierowsko ograniczonych). Dla ultrakr�tkich impuls�w my�lenie o laserach jako �r�d�ach
promieniowania monochromatycznego ca�kowicie zawodzi, gdy� widmo takich impuls�w mo�e obejmowa� nawet ca�y obszar
widzialny!
Naszym celem jest kszta�towanie impuls�w w czasie, aby uzyska� dowolnie wybrany profil czasowy. Niestety nie jest
dost�pna �adna elektronika pozwalaj�ca na modulacj� pola elektrycznego z tak� szybko�ci� (max. 10-10 s), z pomoc�
przychodzi jednak fakt, �e mamy do dyspozycji szerokie widmo impulsu (powy�szy wz�r). Kszta�towanie impuls�w
femtosekundowych opiera si� na fakcie, �e kszta�t impulsu w czasie jest �ci�le powi�zany z amplitud� i faz�
spektraln� impulsu. Istnieje zatem mo�liwo�� zmiany kszta�tu impulsu poprzez zmian� amplitudy i fazy widma.
Je�eli mieliby�my urz�dzenie, kt�re potrafi�oby modulowa� (os�abia�) wybrane cz�sto�ci i zmienia� ich fazy,
wtedy amplituda spektralna impulsu wyj�ciowego mia�aby posta�:
przy czym funkcja opisuj�ca modulacj� widma H(ω) (tzw. funkcja transferu), sk�ada si� z
dw�ch cz�on�w
opisuj�cych modulacj� amplitudy i fazy:
Kszta�t impulsu po przej�ciu przez takie
urz�dzenie do kszta�towania wyra�a� si� b�dzie nast�puj�cym wzorem (korzystaj�c z odwrotnej transformaty Fouriera):
Fizyczn� realizacj� takiego schematu kszta�towania impuls�w jest tzw. uk�ad 4f. G��wn� cech� takiego uk�adu
jest istnienie w nim wyr�nionej p�aszczyzny – tzw. p�aszczyzny fourierowskiej – w kt�rej nast�puje przestrzenne
rozdzielenie sk�adowych spektralnych impulsu wej�ciowego. Schemat takiego uk�adu przedstawia rysunek 1.
Zasada dzia�ania takiego uk�adu opiera si� na tym, �e impulsy pochodz�ce z lasera, padaj�c na siatk� dyfrakcyjn� doznaj� dyspersji k�towej (spowodowane jest to sko�czonym widmem takich impuls�w). Nast�pnie w odleg�o�ci f od siatki ustawiona jest soczewka o d�ugo�ci ogniskowej r�wnej f. Dzi�ki temu wi�zka, po przej�ciu przez soczewk�, biegnie r�wnolegle do osi uk�adu, przy czym ka�da ze sk�adowych monochromatycznych ulega ogniskowaniu w odleg�o�ci f za soczewk�, w p�aszczy�nie fourierowskiej. W tym miejscu wstawione zostaje urz�dzenie pozwalaj�ce na realizacj� funkcji transferu H(ω) – modulacji widma. Najcz�ciej jest to modulator ciek�okrystaliczny. Modulator taki pozwala przechodzi� r�nym sk�adowym widma z r�nym wsp�czynnikiem transmisji, oraz zmienia� ich faz�. Tak zmodulowane widmo ponownie zbierane jest przez drug� soczewk� i siatk� dyfrakcyjn�, by na wyj�ciu uzyska� ukszta�towane w czasie impulsy femtosekundowe. Tak ukszta�towane impulsy s�u�� do badania ultraszybkich reakcji chemicznych, kwantowej kontroli proces�w chemicznych, do selektywnego wzbudzania izotop�w, koherentnej kontroli proces�w wielofotonowych i wielu innych zastosowa�.
Pawe� Wnuk
Powr�t
