Длительность импульсов. Сверхкороткие световые импульсы: от пикосекунд до аттосекунд

Как получают сверхкороткие световые импульсы длительностью от пикосекунд до аттосекунд. Какие методы используются для их генерации и измерения. Где применяются фемтосекундные и аттосекундные импульсы.

Эволюция технологий генерации сверхкоротких световых импульсов

Развитие лазерных технологий позволило создавать все более короткие световые импульсы:

• 1962 год — получены первые наносекундные импульсы (1 нс = 10^-9 с)
• 1965 год — созданы пикосекундные лазеры (1 пс = 10^-12 с)
• 1980-е годы — достигнут фемтосекундный диапазон (1 фс = 10^-15 с)
• 2000-е годы — получены аттосекундные импульсы (1 ас = 10^-18 с)

Какие же методы позволяют генерировать столь короткие импульсы света. Рассмотрим основные технологии их получения.

Методы генерации наносекундных и пикосекундных импульсов

Для получения импульсов длительностью в наносекунды и десятки пикосекунд используются следующие методы:

Модуляция добротности резонатора

Принцип работы заключается в следующем:

1. В активной среде лазера накапливается энергия за счет накачки
2. Специальный затвор блокирует генерацию излучения
3. При открытии затвора вся накопленная энергия высвобождается в виде короткого мощного импульса

В качестве затворов используются:

• Механические затворы (вращающиеся призмы)
• Электрооптические затворы на основе эффекта Поккельса
• Акустооптические затворы
• Пассивные затворы на основе просветляющихся фильтров

Длительность импульсов при модуляции добротности может достигать 100 пс.

Синхронизация мод

Метод основан на синхронизации большого числа продольных мод лазерного резонатора. Это приводит к формированию последовательности сверхкоротких импульсов. Применяются следующие способы синхронизации мод:

• Активная синхронизация с помощью электрооптического модулятора
• Пассивная синхронизация с использованием насыщающихся поглотителей
• Самосинхронизация за счет нелинейных эффектов в активной среде

Синхронизация мод позволяет получать импульсы длительностью до единиц пикосекунд.

Технологии генерации фемтосекундных импульсов

Для получения импульсов фемтосекундной длительности используются следующие подходы:

Лазеры на красителях с синхронизацией мод

Преимущества лазеров на красителях:

• Широкая полоса усиления (до 100 ТГц)
• Возможность перестройки длины волны
• Применение просветляющихся поглотителей

Это позволило получить импульсы длительностью до 0,5 пс.

Компрессия импульсов

Для дальнейшего сокращения длительности применяется компрессия импульсов:

• Использование призменных или решеточных компрессоров
• Компенсация дисперсии групповых скоростей
• Формирование оптических солитонов

С помощью компрессии удалось получить импульсы около 50 фс.

Твердотельные фемтосекундные лазеры

Наиболее распространены лазеры на титан-сапфире:

• Широкая полоса усиления
• Использование эффекта Керра для самосинхронизации мод
• Возможность получения импульсов длительностью 5-6 фс

Рекордная длительность импульса составляет 3,8 фс, что соответствует всего 2-3 периодам световых колебаний.

Методы измерения длительности сверхкоротких импульсов

Для определения длительности сверхкоротких импульсов применяются специальные методы измерения:

Автокорреляционные измерения

Принцип работы автокоррелятора:

1. Импульс расщепляется на два идентичных
2. Один импульс задерживается относительно другого
3. Импульсы сводятся в нелинейном кристалле
4. Измеряется сигнал второй гармоники в зависимости от задержки

Автокорреляционные измерения позволяют оценить длительность импульсов до 10 фс.

Стрик-камеры

Принцип работы стрик-камеры:

1. Импульс преобразуется в электронный пучок
2. Электронный пучок разворачивается во времени отклоняющими пластинами
3. Развертка регистрируется на экране

Современные стрик-камеры позволяют измерять импульсы длительностью до 200 фс.

Применение фемтосекундных импульсов

Сверхкороткие световые импульсы нашли широкое применение в различных областях науки и техники:

Исследование быстропротекающих процессов

• Изучение динамики химических реакций
• Исследование релаксационных процессов в твердых телах
• Наблюдение колебаний молекул

Создание сверхсильных световых полей

• Генерация аттосекундных импульсов
• Исследование нелинейных оптических эффектов
• Лазерное ускорение частиц

Прецизионные измерения

• Оптические стандарты частоты
• Высокоточные измерения расстояний
• Синхронизация удаленных устройств

Информационные технологии

• Сверхбыстрая оптическая обработка информации
• Оптическая память высокой плотности
• Широкополосные системы связи

Фемтосекундные технологии продолжают активно развиваться, открывая новые возможности для фундаментальных и прикладных исследований.

Перспективы развития аттосекундной оптики

В настоящее время ведутся активные исследования по созданию и применению аттосекундных импульсов:

Методы генерации аттосекундных импульсов

• Генерация высоких гармоник при взаимодействии интенсивного лазерного излучения с газами
• Использование плазменных колебаний для генерации ультракоротких импульсов
• Разработка рентгеновских лазеров на свободных электронах

Проблемы измерения аттосекундных импульсов

Для измерения столь коротких импульсов предлагаются следующие подходы:

• Использование процессов ионизации атомов и молекул
• Применение эффекта туннельной ионизации
• Разработка аттосекундных стрик-камер

Перспективные области применения

• Изучение сверхбыстрых процессов в атомах и молекулах
• Исследование динамики электронов в веществе
• Разработка методов управления квантовыми системами

Развитие аттосекундных технологий открывает принципиально новые возможности для изучения и контроля процессов в микромире на сверхмалых временных масштабах.

НОУ ИНТУИТ | Лекция | Измерение формы и спектра сигналов

< Дополнительный материал  || Лекция 11: 1234

Ключевые слова: модуляция, значение, определение, функция, ПО, выражение, анализ, индикатор, коммутатор, структурная схема, равенство, диапазон, полоса пропускания, выход, переменная, индекс, шкала, генератор, точность, интервал, погрешность, расстояние, развертка, поле

Общие сведения

Радиотехнические сигналы при взаимодействии друг с другом или с помехой, а также проходя через устройства, содержащие нелинейные элементы, претерпевают изменение формы и спектра. При взаимодействии сигналов возникает модуляция и значение искажений необходимо измерять форму сигнала и его спектр.

Измерение спектра предусматривает определение большого числа гармонических составляющих, которое при исследовании непериодических сигналов стремится к бесконечности.

intuit.ru/2010/edi»>Спектральная функция импульсного сигнала х(t) представляет собой комплексную функцию вида

( 10.1)

Измерения выполняются в течение некоторого интервала времени T, поэтому формула (10.1) преобразуется в следующую:

( 10.2)

Из рассмотрения формулы (10.2) видно, что измеряемый спектр является функцией частоты и интервала времени измерения. Функцию называют текущим спектром сигнала. Очевидно, что с увеличением интервала времени измерения текущий спектр приближается к истинному.

Для определения спектра периодического несинусоидального сигнала необходимо измерить амплитуды и частоты его гармонических составляющих. Для этой цели применяют приборы – анализаторы гармоник и анализаторы спектра – как с ручным управлением, так и автоматические. Гармонические составляющие можно измерять поочередно или одновременно; первый способ анализа спектра называют последовательным, а второй – параллельным.

Основными характеристиками анализаторов являются разрешающая способность и время анализа. Разрешающая способность определяется минимальным расстоянием по оси частот, при котором можно выделить и измерить с заданной погрешностью две соседние составляющие спектра. Разрешающая способность прямо пропорциональна полосе пропускания фильтра избирательного контура (рис. 10.1 рис. 10.1):

( 10. 3)

где .

Рис. 10.1.

К определению связи разрешающей способности с полосой пропускания фильтра

В автоматических анализаторах на разрешающую способность влияют переходные процессы. Время, в течении которого характеристика анализатора приближается к его статистической, называют временем установления , где a – коэффициент, близкий к единице; значение a зависит от типа применяемого избирательного контура или фильтра.

Время анализа анализаторами параллельного действия соизмеримо со временем установления:

( 10. 4)

Скорость анализа определяется отношением рабочего диапазона частот анализатора f

раб (рис. 10.1 рис. 10.1) к времени анализа:

( 10.5)

Обозначив , где – разрешающая способность резонатора, определяемая формулой (10.3), получаем выражение для скорости параллельного анализа

Скорость последовательного анализа определяется уравнением или, с учетом ранее приведенных соотношений,

В этом случае время анализ

( 10. 6)

т.е. оно в k раз больше, чем при параллельном анализе.

Дальше >>

< Дополнительный материал  || Лекция 11: 1234

УДИВИТЕЛЬНАЯ ФИЗИКА СВЕТОВЫХ МГНОВЕНИЙ | Наука и жизнь

Когда мы употребляем слово «мгновение», то обычно не задумываемся над тем, сколько же оно длится. Подразумевается, что какую-то долю секунды… Особенно наглядно проявляется «мгновенность» в явлениях, связанных со светом. Мы считаем мгновенны ми, например, сверкнувшую молнию или световой «всплеск» лампы-вспышки при фотографировании. В этих случаях свет вспыхивает на сотые или тысячные доли секунды. Но и такие длительности невообразимо велики по сравнению с теми, что достигнуты в современной лазерной физике. Световые вспышки лазеров могут иметь длительность в сто раз меньшую, чем миллионная от миллионной доли секунды! Как же получают и измеряют импульсы света столь фантастически малой длительности и зачем они нужны?

Добротность колебательной системы показывает, насколько велики потери энергии в ней. Чем выше сопротивление воздуха, тем быстрее затухают колебания маятника, тем меньше его добротность.

Действие фототропных модуляторов добротности основано на резонансном поглощении излучения растворами органических красителей или стеклами с примесью сульфида кадмия. Слабый световой поток эти вещества практически полностью поглощают, но с ростом его интен

Образование импульсов при синхронизации мод на примере сложения трех синусоидальных колебаний, частоты которых различаются на величину с/2L (три соседние моды). А. Фазы колебаний произвольны в момент t = 0 (моды не синхронизированы). Б. Фазы всех колебани

Акустооптические затворы и модуляторы используют способность света дифрагировать на звуковых волнах в жидкости и стекле. Пьезоэлектрический вибратор, подключенный к генератору высокой частоты, создает в материале модулятора «гребенку» стоячих продольных в

Сверхкороткий лазерный импульс воздействует на вещество совсем иначе, чем длинный.

Так, излучение обычного импульсного лазера зажигает спичечную головку, а сильно сжатый, «гигантский импульс» пробивает ее, подобно пуле, — горючий состав не успевает вспыхнуть.

Наиболее сильно сжать импульс удается, применяя дифракционные решетки. Материал активной среды, которая генерирует свет, обладает дисперсией — низкочастотные составляющие импульса движутся медленнее высокочастотных, ширина импульса растет.

Импульсы, длительностью около 100 пс дают модуляторы добротности, основанные на повороте плоскости поляризации света в веществе при наложении на него поперечного электрического (эффекты Керра и Поккельса) или продольного магнитного поля (эффект Фарадея).

Наука и жизнь // Иллюстрации

Измерение длительности импульса методом двухфотонной люминесценции. Лазерный импульс расщепляется пополам, и два вторичных импульса встречаются в кювете с люминесцирующей жидкостью (А). Свечение возникает только при их сложении (Б).

Метод генерации второй гармоники. Лазерный импульс расщепляется на два импульса, которые поступают в интерферометр Майкельсона, где приобретают взаимно-перпендикулярную поляризацию.

‹

›

Открыть в полном размере

Уже в первые годы развития лазерной техники исследователи стали искать пути получения оптических импульсов как можно меньшей длительности. Такие импульсы требуются во многих областях науки и техники. С их помощью можно изучать быстропротекающие процессы, происходящие при взаимодействии света с веществом, в химических и фотохимических реакциях, в физике плазмы… Кроме фундаментальных исследований существует и немало чисто технических, прикладных задач, требующих возможно более коротких импульсов — например, для создания точных систем измерения времени или длины. Ведь если оптические импульсы использовать как метки времени, то чем меньше их длительность, тем точнее можно измерить интервал между ними (на этом, в частности, основана работа импульсных лазерных дальномеров; см. «Наука и жизнь» № 1, 2002 г.). Кроме того, следует вспомнить, что мощность (в данном случае — светового импульса) равна энергии, деленной на длительность импульса. «Сжимая» импульс в сотни и тысячи раз, получают соответствующий рост его мощности.

История создания коротких световых импульсов начинается с 1962 года (уже через два года после постройки первого лазера), когда были получены импульсы наносекундного диапазона (1 нс = 10^-9 с ). Импульсы длительностью в десятки наносекунд излучали твердотельные лазеры с оптической накачкой при работе в так называемом режиме модуляции добротности резонатора.

Любой лазер в принципе состоит из трех основных элементов — активной среды, накачки, сообщающей ей способность усиливать световые колебания, и оптического резонатора, образованного двумя параллельными зеркалами, между которыми помещена активная среда. Зеркала резонатора возвращают излучение обратно в активную среду, превращая оптический усилитель в генератор когерентного света — лазер. Одно из зеркал делают частично прозрачным для выхода излучения.

В качестве активной среды твердотельных лазеров наиболее распространены рубин, стекло с примесью редкоземельного металла неодима и иттрий-алюминиевый гранат (также с примесью неодима). Из них наибольшей шириной линии усиления (то есть спектральным диапазоном, в котором может усиливать среда) обладает неодимовое стекло.

Резонатор, как и любая колебательная система, имеет характеристику, называемую добротностью Q. Она показывает, насколько велики потери P в системе, получившей энергию W: Q ~ W/P. Например, колебания маятника с грузиком большого размера затухают быстрее, чем колебания маятника той же массы, но более компактного (из-за большего сопротивления воздуха) — добротность второго маятника выше. Добротность оптических резонаторов очень велика — до 10⁷. Это означает, что при каждом отражении от зеркал светового импульса, возникшего в резонаторе, теряется одна десятимиллионная часть его энергии (для сравнения — добротность колебательного радиоконтура не превышает 10²). Но если во время поступления энергии в среду — работа системы накачки — одно зеркало перекрыть затвором, добротность резонатора упадет до нуля, и энергия станет накапливаться в активной среде. Когда ее количество приближается к максимально возможной величине, затвор очень быстро открывается, и вся запасенная энергия высвобождается в виде короткого и мощного импульса излучения. Такие импульсы получили название «гигантских», а способ их получения — режим модуляции добротности. Это очень похоже на то, как если бы высокая плотина, за которой медленно накапливается огромное количество воды, вдруг внезапно исчезла.

Первые затворы для генерации гигантского импульса были механическими. Заднее зеркало (его роль нередко играла призма полного внутреннего отражения) быстро вращалось, и только в моменты, когда оно оказывалось строго параллельным переднему, неподвижному зеркалу, возникала генерация. Однако механический затвор не позволял получать импульсы короче 10^-4 секунды, был технически неудобен, и на смену ему пришли другие конструкции. Например, между активной средой и задним зеркалом помещали алюминиевую фольгу толщиной 0,25 микрона, которая взрывалась под действием электрического импульса (активный затвор) или энергии излучения активной среды (пассивный). Этот способ модуляции добротности методом прожигания или взрывающейся пленки позволял получать импульс длительностью до одной десятой микросекунды (10^-7с). Но наиболее широкое распространение получили затворы оптические.

Оптические затворы не имеют подвижных частей; ими управляют короткие электрические или акустические импульсы, переключающие их уже за 10^-9-10^-10 секунды, позволяя получать световые вспышки наносекундной длительности. Называют их соответственно электрооптичес кими и акустооптическими. Еще один класс затворов — так называемые фототропные; они не требуют и управляющего сигнала. Их действие основано на свойстве некоторых веществ увеличивать прозрачность с ростом интенсивности падающего излучения (подобный принцип, но с «обратным знаком» и малым быстродействием используется в известных всем очках с фотохромными стеклами). Это наиболее простой вариант затвора: достаточно лишь поместить внутрь резонатора кювету с просветляющейся жидкостью. После вспышки жидкость сама возвращается в непросветленное состояние и «ждет» очередного импульса.

Следующим шагом на этом пути стало создание в сотни и в тысячи раз более коротких импульсов — сначала в десятки, а затем и в единицы пикосекунд (1 пс = 10^-12 с). За одну пикосекунду свет, распространяющийся с огромной скоростью — почти 300 тысяч км/с, проходит всего 0,3 мм. Создание пикосекундных лазеров (они появились в 1965 году) стало возможным благодаря применению так называемого режима синхронизации мод.

Модами называют типы колебаний, которые могут возбуждаться в оптическом резонаторе лазера. Их обычно бывает очень много, но сейчас нас интересуют только те, которые укладываются целое число раз на двойной длине резонатора 2L (так называемые продольные моды). Соответствующие им частоты расположены через одинаковые интервалы, равные с/2L, где с — скорость света в резонаторе , L — длина резонатора. Однако фазы этих мод принимают произвольные значения, и для генерации сверхкоротких импульсов, помимо получения большого количества мод, приходится все их синхронизировать . При этом возникает интерференция, приводящая к резкому перераспределению энергии в лазерном излучении — в одних участках пространства наблюдается чрезвычайно сильная концентрация энергии, а в других ее практически не остается совсем. В результате формируются последовательности сверхкоротких импульсов исключительно большой мощности. Длительность каждого импульса обратно пропорциональна числу синхронизированных мод, а мощность прямо пропорциональна его квадрату.

Этот режим, вообще говоря, осуществляется теми же средствами, что и режим модуляции добротности — в резонатор лазера помещается электрооптический или фототропный затвор, — но действуют они по-другому. На электрооптический затвор подается не короткий перепад напряжения (который открывал затвор), а периодический сигнал, обычно синусоидальной формы, с частотой, примерно равной с/2L, а использование фототропного затвора (просветляющегося фильтра) по-прежнему не требует управляющего сигнала. Метод с использованием электрооптического (или акустооптического) затвора называют активной синхронизацией мод, а с использованием просветляющегося фильтра — пассивной синхронизацией. При активной синхронизации мод затвор работает в режиме модулятора с частотой с/2L. При пассивной синхронизации действует другой механизм, который в упрощенной форме сводится к следующему. Когда импульс света проходит через просветляющийся фильтр, «хвосты» импульса, имеющие малую интенсивность, ослабляются в нем из-за поглощения, а вершина импульса с большой интенсивностью проходит — импульс становится узким. Этот процесс повторяется с периодом Т = 2L/с, и на выходе образуется последовательность мощных пикосекундных импульсов. Одновременно с синхронизацией мод имеет место и модуляция добротности резонатора. Пассивная синхронизация мод технически намного проще, чем активная.

Первым поколением пикосекундных лазеров были твердотельные лазеры с просветляющимся поглотителем, обеспечивающим пассивную синхронизацию мод; они могут генерировать импульсы длительностью до 10 пс. Второе поколение составляют лазеры, в которых активная среда — растворы органических красителей. Лазеры на красителях имеют огромную ширину полосы усиления (15-20 нм, или, в единицах частоты, порядка 100 ТГц), позволяя перестраивать длину волны в широком диапазоне. Применение в таких лазерах просветляющихся поглотителей позволило получить импульсы длительностью до 0,5 пс.

Однако для исследования многих быстропротекающих процессов требуются еще более короткие импульсы, входящие в фемтосекундный диапазон (1 фс = 10^-15 с). Прорыв в фемтосекундную область впервые осуществлен с лазером непрерывного действия на красителе, когда удалось получить импульсы длительностью 0,1 пс, то есть 100 фс. И тут исследователям пришлось столкнуться с весьма специфическими явлениями.

Импульс малой длительности имеет очень широкий спектр. В диспергирующей среде отдельные части спектра движутся с различными групповыми скоростями , и при нормальной дисперсии длинноволновые составляющие движутся быстрее коротковолновых, при аномальной — наоборот. В результате интервалы между составляющими различных частот становятся неодинаковыми — импульс расплывается.

В случае нормальной дисперсии среды частота увеличивается от начала импульса к его концу. Чтобы устранить растяжение импульса, нужно пропустить его через среду с дисперсией аномальной, имеющей обратный знак. Было обнаружено, что этого же можно добиться при помощи призм или дифракционных решеток, традиционно используемых в спектроскопии для пространственного разделения частот. Длинноволновые составляющие переднего фронта импульса задерживаются по отношению к коротковолновым составляющим заднего его фронта, задний фронт «догоняет» передний, импульс сжимается.

Так удалось получить от лазеров на красителях импульсы длительностью примерно 50 фс. При этом образуется нечто вроде оптических солитонов (см. «Наука и жизнь» № 11, 2001 г.) — волновых пакетов, распространяющихся без изменения формы на расстояния, превышающие собственную длину импульса в 10⁶-10⁷ раз.

Дальнейшее развитие фемтосекундных лазеров связано с использованием нелинейных свойств среды, возникающих в поле мощного лазерного излучения. К 1990 году был реализован новый способ пассивной синхронизации мод без просветляющегося поглотителя — самосинхронизация. О том, как в этом случае получают фемтосекундные импульсы, рассказано, например, в статье академика В. Летохова (см. «Наука и жизнь» № 9, 1995 г.).

Нелинейные свойства среды проявляются в том, что ее показатель преломления n начинает зависеть от интенсивности излучения I. Интенсивность пропорциональна квадрату амплитуды поля A², и эту зависимость обычно записывают в виде n = n_o + n₂A² (оптический эффект Керра). Здесь n_o — «обычный» показатель преломления (имеющий место при малых интенсивностях света), а второе слагаемое — нелинейная добавка, определяющая изменение показателя преломления под влиянием мощного излучения. Вследствие этой «керровской не линейности» возникают самофокусировка пучка, фазовая модуляция и сжатие импульсов, часто объединяемые термином «самовоздействие».

Впервые эффекты нелинейных свойств среды использовали для получения сверхкоротких импульсов в лазере непрерывного действия на титан-сапфире. Эти лазеры третьего поколения могут генерировать импульсы длительностью от десятков фемтосекунд до 5-6 фс (такие предельные значения соответствуют двум-трем периодам световых колебаний).

Но самый короткий световой импульс получен два года назад исследователями из берлинского Института Макса Борна тоже с использованием лазера на титан-сапфире. Длительность полученного импульса составляет 3,8 фс, и группа физиков, осуществившая эксперимент, надеется уменьшить ее до 1-2 фс.

Пикосекундные и особенно фемтосекундные оптические импульсы открывают широкие возможности для исследования быстропротекающих процессов в физике, химии, биологии и других областях науки. Фемтосекундные импульсы, например, используют для создания электромагнитных полей с напряженностью выше внутриатомного. Ведутся интенсивные исследования по созданию оптических компьютеров, в которых применение фемтосекундных импульсов с гигагерцовой частотой повторения сулит резкое увеличение объема и быстродействия компьютерной памяти. С этой областью связаны разработки «памяти на стекле», ведущиеся в Японии. Около трех лет назад обнаружили, что, если сфокусировать фемтосекундный импульс на стекло, содержащее редкоземельный элемент самарий, в точку диаметром около 400 нм, она начинает светиться, оставаясь при этом прозрачной. Светящиеся точки могут размещаться на поверхности самариевого стекла на расстоянии 100 нм одна от другой и располагаться послойно. Компания «Central Glass», выпускающая подобное стекло, создала эквивалент 2000 уровней точек в одном его кубическом сантиметре, которые можно считывать по отдельности. Это позволяет хранить в нем 1 терабайт (10¹² байт) данных. Фемтосекундные лазеры станут также основой новой технологии широкополосной связи, способной за секунду передать несколько терабайт информации.

Из новейших применений можно указать на исследования по созданию фемтосекундных «оптических часов» — стандартов частоты, а значит, и времени. А с учетом принятого в 1983 году нового определения метра, связанного с единицей времени и скоростью света в вакууме, оптические часы становятся и «оптическим метром», позволяя реализовать единый эталон времени — частоты — длины. Фемтосекундная техника позволяет разработать методы высокоточного измерения оптических частот для метрологических применений. В их основе лежит способность фемтосекундного лазера с синхронизацией мод генерировать широкий спектр частот, лежащих на равных расстояниях одна от другой с точностью до 10^-16. Они образуют линейку, обладающую высокой стабильностью.

В Институте лазерной физики Сибирского отделения РАН впервые созданы малогабаритные фемтосекундные оптические часы на основе титан-сапфирового лазера, генерирующего импульсы длительностью 10 фс со стабильностью 10^-14 за 100 секунд.

В заключение следует сказать, что в настоящее время мы находимся на пороге очередного прорыва в следующий диапазон — аттосекундный. Аттосекунда в тысячу раз меньше фемтосекунды, то есть 1 ас = 10^-18 с. Обсуждаются возможные способы генерации аттосекундных импульсов на быстро ионизуемых атомах в полях сверхкоротких оптических импульсов. В видимом диапазоне спектра продвинуться в аттосекундную область принципиально невозможно, однако это вполне реально в дальнем ультрафиолете и мягком рентгеновском излучении. Но как же измерить длительность столь неимоверно короткого импульса? В одной из теоретических работ предложено возможное решение этой задачи с использованием двойной ионизации гелиевой плазмы, служащей мишенью. По расчетам авторов, можно измерять длительность импульсов до 400 ас, а меняя некоторые параметры, уменьшить эту величину в несколько раз. С физическим механизмом предложенного решения можно ознакомиться в статье, опубликованной в журнале «Physical Review Letters», v.86, p.412 (2001).

Лазер, этот удивительный прибор, созданный полвека назад, продолжает совершенствовать ся и открывает поистине неисчерпаемые возможности своего применения в самых разных областях науки и техники.

Длительность импульса

, поясняется энциклопедией RP Photonics; ширина импульса, длина, измерение, автокоррелятор, стрик-камера, пикосекунда, фемтосекунда

Домашний	Викторина	(With this you move over to the Buyer’s guide section.)»> Руководство покупателя
Поиск	Категории	Глоссарий	Реклама

Прожектор фотоники

Учебники

Показать статьи A-Z

Примечание: поле поиска по ключевому слову статьи и некоторые другие функции сайта требуют Javascript, который, однако, отключен в вашем браузере.

можно найти в Руководстве покупателя RP Photonics. Среди них:

Дополнительные сведения о поставщике см. в конце этой статьи энциклопедии или перейдите на страницу

.

Список поставщиков устройств измерения длительности импульса

Вас еще нет в списке? Получите вход!

Используя наш рекламный пакет, вы можете разместить свой логотип и далее под описанием вашего продукта.

Обратитесь в RP Photonics за советом о том, какой лазерный источник лучше всего подходит для генерации импульсов с заданными параметрами, или о том, как охарактеризовать оптические импульсы.

Длительность световых импульсов (также называемая ширина импульса или длительность импульса ) может варьироваться в огромном диапазоне:

• Путем модуляции источника непрерывного излучения, например, с помощью электрооптического модулятора, можно генерировать импульсы длительностью от нескольких десятков пикосекунд до произвольно больших значений.
• Переключение усиления напр. лазерных диодов приводит к импульсам длительностью до нескольких наносекунд или даже до нескольких сотен пикосекунд.
• Длительность импульса от лазеров с модуляцией добротности обычно варьируется от 100 пс до сотен наносекунд.
• Лазеры с синхронизацией мод могут генерировать импульсы длительностью от ≈ 5 фс до сотен пикосекунд.
• Генерация высоких гармоник позволяет формировать одиночные аттосекундные импульсы или последовательности аттосекундных импульсов с длительностью импульсов в несколько сотен аттосекунд или даже менее 100 ас.

Вот обзор распространенных префиксов:

• 1 мс (миллисекунда) = 10 ⁻³   с
• 1 мкс (микросекунда) = 10 ⁻⁶   с
• 1 нс (наносекунда) = 10 ⁻⁹   с
• 1 пс (пикосекунда) = 10 ⁻¹²   с
• 1 фс (фемтосекунда) = 10 ⁻¹⁵   с
• 1 ас (аттосекунда) = 10 ⁻¹⁸   с

Определение длительности импульса

На самом деле существуют разные определения длительности импульса:

• Наиболее часто используемое определение основано на полной ширине на полувысоте (FWHM) оптической мощности в зависимости от времени. Это не чувствительно к некоторым слабым пьедесталам, как это часто наблюдается при световых импульсах.
• Для расчетов, касающихся солитонных импульсов, обычно используется параметр длительности τ, который приблизительно равен длительности на полувысоте, деленной на 1,76, поскольку тогда временной профиль интенсивности может быть описан как постоянное время sech ² ( t  / τ).
• Для сложных профилей пульса более подходящим является определение, основанное на втором моменте временного профиля интенсивности. При этом возможные пьедесталы существенно увеличивают полученную длительность импульса.
• В частности, в контексте повреждений, вызванных лазером, иногда используется эффективная длительность импульса , которая определяется как энергия импульса, деленная на пиковую мощность.

В частности, в случаях со значительным пьедесталом импульса различные методы могут привести к существенно разным значениям длительности импульса.

Произведение Время-Пропускная способность

Произведение длительности импульса и спектральной полосы называется произведением времени на ширину полосы . Как правило, он рассчитывается с использованием значений длительности и ширины полосы на полувысоте (см. выше). Он не может быть значительно меньше ≈ 0,3, в зависимости от формы импульса и точного определения длительности импульса и ширины полосы. Это означает, что, например. импульс длительностью 10 фс должен иметь ширину полосы как минимум порядка 30 ТГц, а аттосекундные импульсы имеют такую ​​большую ширину полосы, что их центральная частота должна быть значительно выше частоты любого видимого света.

См. также статью о пределе трансформаций.

Измерение длительности импульса

Длительность импульса примерно до 10 пс можно измерять с помощью самых быстрых доступных фотодиодов в сочетании с осциллографами с быстрой дискретизацией. Для измерения коротких импульсов можно использовать стрик-камеры.

Другим подходом является оптическая выборка (или взаимная корреляция) с использованием другого источника, генерирующего еще более короткие эталонные импульсы. Однако в большинстве случаев используются оптические автокорреляторы, не требующие опорных импульсов.

Обратите внимание, что существуют также такие методы, как FROG или SPIDER (→  спектрально-фазовая интерферометрия ), которые можно использовать для получения гораздо большего объема информации об импульсах, чем, например, только длительность и энергия импульса; см. статью о характеристике пульса.

Пространственная ширина импульса

Пространственная ширина импульса в направлении распространения определяется произведением групповой скорости на временную ширину импульса. Несмотря на высокую скорость света, ультракороткие импульсы также могут быть очень короткими в пространственной области. В то время как, например. импульс длительностью 1 нс по-прежнему имеет длину ≈ 30 см в воздухе, самые короткие импульсы, которые могут быть сгенерированы непосредственно с помощью лазера, — длительностью примерно 5 фс — имеют пространственную длину всего 1,5 мкм в воздухе или вакууме. Это соответствует всего нескольким длинам волн или, по времени, нескольким оптическим циклам ( несколько импульсов ).

В качестве поперечных размеров, характеризуемых, например, с радиусом луча, как правило, намного больше, импульсы с несколькими циклами можно представить себе как световые пули в форме блинов. Этот аспект важен; это объясняет, например. почему кажущаяся длительность импульса, измеренная с помощью автокоррелятора интенсивности, может быть увеличена, когда этот измерительный прибор включает в себя импульсы, пересекающие друг друга под некоторым значительным углом.

Эффекты, которые могут повлиять на длительность импульса

В то время как импульсы длительностью в наносекунды и более почти не изменяют длительность импульса при распространении даже на большие расстояния, ультракороткие импульсы чувствительны к различным эффектам: применение дисперсии противоположного типа (→ компенсация дисперсии ).

Оптические нелинейности часто не влияют напрямую на длительность импульса, но могут, например, расширяют оптический спектр, что делает импульсы более чувствительными к хроматической дисперсии при последующем распространении.

Любой тип оптического фильтра, включая усиливающую среду с ограниченной полосой усиления, может влиять на ширину спектра или форму ультракоротких импульсов. Когда ширина спектра уменьшается, это может привести к временному расширению; однако бывают случаи, когда сильно чирпированные импульсы становятся короче при уменьшении ширины их спектра.

В установившемся режиме работы лазера с синхронизацией мод циркулирующие импульсы испытывают различные эффекты, влияющие на длительность импульса, но эти эффекты уравновешены, так что длительность импульса восстанавливается после каждого прохода туда и обратно. В некоторых фемтосекундных лазерах длительность импульса претерпевает существенные изменения при каждом обходе резонатора.

Пространственно-временные эффекты

Определение и измерение длительности импульса значительно усложняются в случаях, когда пространственные и временные свойства импульса связаны друг с другом. Примером может служить явление наклона фронта импульса, когда локально измеренная длительность импульса может быть меньше длительности, основанной на всем профиле луча.

Поставщики

В Руководстве покупателя RP Photonics указаны 24 поставщика устройств для измерения длительности импульса. Среди них:

ALPHALAS

Сверхбыстрые фотодетекторы ALPHALAS в сочетании с высокоскоростными осциллографами являются лучшей альтернативой для измерения оптических сигналов со спектральным охватом от 170 до 2600 нм (от ВУФ до ИК) и пикосекундной длительностью импульса. Например, фотодетекторы с временем нарастания 10 пс и полосой пропускания 30 ГГц в сочетании с дискретным осциллографом с частотой 50 ГГц могут использоваться для измерения ширины оптического импульса до 10 пс с использованием деконволюции.

Конфигурации фотодетекторов включают варианты со свободным пространством, оптоволоконным разъемом или SM-оптоволокном с косичками и имеют компактный металлический корпус для помехоустойчивости. Версии кремниевых фотодиодов с расширенным УФ-излучением являются единственными коммерческими продуктами, которые охватывают спектральный диапазон от 170 до 1100 нм со временем нарастания <50 пс. Для максимальной гибкости большинство моделей не имеют внутренней заделки. Внешняя оконечная нагрузка 50 Ом поддерживает указанную максимальную скорость работы.

Thorlabs

Настольный интерферометрический автокоррелятор FSAC производства Thorlabs предназначен для определения характеристик сверхбыстрых импульсов длительностью от 10 до 1000 фс в диапазоне длин волн 650–1100 нм. Этот автокоррелятор для использования с фемтосекундными лазерами дополняет наше семейство сверхбыстрых лазеров, усилителей и специализированной оптики, включая чирпированные зеркала, зеркала/светоделители с низким GDD и компенсирующее дисперсию волокно.

Laser Peak

FROGscan — это прибор для полной характеристики сверхбыстрых лазерных импульсов. В одном устройстве можно использовать различные спектрометры, обеспечивающие широкий диапазон длин волн, высокое спектральное разрешение и динамический диапазон более 75 дБ. Длины волн от 450 нм до >4000 нм и длительность импульса от 12 фс до 10 пикосекунд находятся в пределах досягаемости одной системы. Конструкция с нулевой дисперсией позволяет измерять импульсы <5 фс. FROGscan — это прибор, который может измерять самые сложные импульсы.

Fastlite

Продукты Wizzler обеспечивают высококонтрастные и однократные измерения спектральной фазы и интенсивности почти сжатых сверхбыстрых лазерных импульсов. Они чрезвычайно просты в установке и эксплуатации и стали справочным инструментом для сообщества пользователей, занимающихся лазерной физикой высокой интенсивности. Основанный на запатентованном методе спектральной интерферометрии с собственной ссылкой (SRSI), Wizzler также легко комбинируется с нашим формирователем импульсов Dazzler для автоматической оптимизации сжатия импульсов сверхбыстрых усилителей.

Femto Easy

Femto Easy предлагает два различных типа очень компактных и удобных автокорреляторов для определения характеристик сверхкоротких импульсов:

• Автокоррелятор ROC является однократным автокоррелятором, поэтому для измерения его длительности требуется только один импульс. Он очень компактен и чрезвычайно удобен в использовании. Он охватывает широкий диапазон энергий импульсов от нескольких сотен пикоджоулей до нескольких миллиджоулей и длительностей от 5 фс до 10 пс.
• Автокоррелятор MS-ROC — это многократный автокоррелятор. Он использует особенно быструю оптическую линию задержки для сканирования задержки, сводя к минимуму время измерения. Он может измерять импульсы с энергией всего 50 пДж, а в режиме точного сканирования длительностью даже менее 50 фс.

APE

Автокорреляторы APE используются для измерения длительности импульса фемтосекундных и пикосекундных лазерных систем. Технология основана либо на обнаружении генерации второй гармоники (ГВГ), либо на принципе обнаружения двухфотонного поглощения (ДПП).

Автокоррелятор APE Модели:

• pulseCheck: универсальность для любых задач
• Mini TPA: компактный и не требующий настройки
• Mini PD: рутинные задачи с фиксированным диапазоном длин волн
• Carpe: первый выбор для многофотонной микроскопии

Femtochrome Research

Femtochrome Research предлагает различные автокорреляторы для точного измерения длительности импульса. Особенностями являются высокий динамический диапазон, высокое временное разрешение и очень большой диапазон сканирования.

Sphere Ultrafast Photonics

d-shot — это компактная система для комплексного определения характеристик сверхбыстрых лазерных импульсов, включая измерение длительности импульса. Он поддерживает оптические спектры, соответствующие длительности импульсов около 10–70 фс, и работает с частотой повторения импульсов в диапазоне от субгерц до сотен кГц или даже МГц. Подключение лазерного луча к d-снимку легко достигается менее чем за пять минут, а полное измерение (включая извлечение) обычно занимает менее 10 с.

Интуитивность трассировки d-shot обеспечивает мгновенную визуальную обратную связь для оптимизации вашего источника. Эта система d-shot является практичным инструментом для настройки и оптимизации вашего компрессора или формирователя импульсов в режиме реального времени.

D-цикл — это версия для самых требовательных сверхбыстрых импульсов, вплоть до сверхширокополосных спектров и одиночных импульсов (от менее 3 фс до 12 фс) длительностью импульса.

несколько циклов

FROG оркестра (Frequency-Resolved Optical Gating) объединяет SHG (генерация второй гармоники) и TG (транзиентная решетка) FROG в одном устройстве с общим спектральным диапазоном от 200 нм до 2 мкм (до 3,4 мкм). необязательный). Он поставляется с удобным программным обеспечением для сбора данных и восстановления фазы.

Вопросы и комментарии от пользователей

Здесь вы можете задать вопросы и комментарии. Если они будут приняты автором, они появятся над этим абзацем вместе с ответом автора. Автор принимает решение о принятии на основе определенных критериев. По существу, вопрос должен представлять достаточно широкий интерес.

Пожалуйста, не вводите здесь личные данные; в противном случае мы бы удалили его в ближайшее время. (См. также нашу декларацию о конфиденциальности.) Если вы хотите получить личную обратную связь или консультацию от автора, свяжитесь с ним, например. по электронной почте.

Ваш вопрос или комментарий:

Проверка на спам:

  (Пожалуйста, введите сумму тринадцати и трех в виде цифр!)

Отправляя информацию, вы даете свое согласие на возможную публикацию ваших материалов на нашем веб-сайте в соответствии с нашими правилами. (Если вы позже отзовете свое согласие, мы удалим эти материалы.) Поскольку ваши материалы сначала просматриваются автором, они могут быть опубликованы с некоторой задержкой.

См. также: световые импульсы, ультракороткие импульсы, характеристика импульсов, наклон фронта импульса, генерация импульсов, фотодиоды, автокорреляторы, оптический строб с частотным разрешением, стрик-камеры
и другие статьи в категориях обнаружение и определение характеристик света, оптическая метрология, световые импульсы

Если вы хотите разместить ссылку на эту статью на каком-либо другом ресурсе (например, на своем сайте, в социальных сетях, на дискуссионном форуме, в Википедии), вы можете получить необходимый код здесь.

HTML-ссылка на эту статью:

  
 Статья о длительности импульса 
 в  
 RP Photonics Encyclopedia 

С предварительным изображением (см. рамку чуть выше):

  
  alt="article"> 

Для Википедии, например. в разделе «==Внешние ссылки==»:

 * [https://www.rp-photonics.com/pulse_duration.html 
 статья 'Длительность импульса' в Энциклопедии RP Photonics] 

Длительность импульса Определение | Law Insider

• означает в отношении любой Плавающей ставки, которая должна быть определена в соответствии с Определением экранной ставки на Дату определения процентной ставки, продолжительность, указанную в соответствующих Окончательных условиях, или, если ничего не указано, период времени, равный к соответствующему Периоду начисления процентов, игнорируя любые корректировки в соответствии с Условием 5(c)(ii).

• или «(RDS)» в качестве типа пробы означает максимальное и минимальное из всех значений, зафиксированных в результате анализа каждой выборочной пробы; 1) Составная выборка или 2) Среднее значение выборочной выборки. Для тех обладателей разрешения, у которых есть рН-метры, которые обеспечивают непрерывный мониторинг и запись, диапазон во время отбора проб означает максимальное и минимальное показания, зарегистрированные с помощью устройства непрерывного мониторинга во время сбора средней пробы составной пробы или выборочной пробы.

• означает гарантийный срок. Этот период может быть установленным периодом времени, объемом использования или наступлением определенного события после формальной приемки поставки, когда Правительство может отстаивать договорное право на исправление дефектов.

• или «(RDM)» в качестве типа выборки означает наименьшее и наибольшее значения всех данных мониторинга за отчетный месяц.

• означает последние четыре последовательных финансовых квартала Эмитента, непосредственно предшествующие Применимой дате расчета, для которых доступна внутренняя финансовая отчетность.

• означает период (если имеется) (x), начинающийся с момента наступления Даты замены Эталона в соответствии с пунктами (1) или (2) этого определения, если в это время никакая Замена Эталона не заменила действующий на тот момент Индикатор для всех целей по настоящему Соглашению и по любому Документу о займе в соответствии с Разделом 2. 10 и (y) заканчивающийся в момент, когда Замена Индикатора заменила действующий на тот момент Индикатор для всех целей по настоящему Соглашению и по любому Документу о займе в соответствии с Разделом 2.10.

• означает совокупную стоимость в долларах, которая была бы реализована, если бы опционы по основанному на опционе вознаграждению были исполнены на дату наделения правами. Эта сумма рассчитывается путем определения разницы между рыночной ценой базовых ценных бумаг при исполнении и ценой исполнения или базовой ценой опционов по основанному на опционе вознаграждению на дату перехода прав.

• означает все оборудование, необходимое для выполнения требований по сбору и доступности данных, изложенных в этом разделе, для мониторинга рабочих параметров процесса и устройств управления (например, вторичных напряжений и электрических токов устройств управления) и другую информацию ( например, скорость потока газа, концентрации O2 или CO2), а также для непрерывной записи средних значений рабочих параметров.

• означает окончательный план отключения, утвержденный ПКР в соответствии с положениями Сетевого кодекса;

• означает дату завершения строительства совместного объекта Договоренности о присоединении, создания групп магистралей, завершения испытаний совместной магистрали и взаимной приемки магистралей Сторонами.

• означает период с последнего дня финансового квартала Компании включительно до рабочего дня, следующего за днем, когда Компания публично публикует свои доходы за такой финансовый квартал включительно.

• означает железнодорожное средство, на котором груз перегружается с тягача на поезд или наоборот.

• означает любого ветерана, который во время службы на действительной службе в вооруженных силах США, наземной, военно-морской или воздушной службе участвовал в военной операции Соединенных Штатов, за которую была вручена медаль за службу в вооруженных силах в соответствии с Исполнительным указом 12985 (61). ФР 1209).

• или «CPMS» означает все оборудование, необходимое для выполнения требований к сбору и доступности данных, изложенных в настоящей главе, для мониторинга рабочих параметров технологического устройства и рабочих параметров устройства управления (например, вторичных напряжений и электрических токов устройства управления). и другую информацию (например, скорость потока газа, концентрации O2 или CO2), а также для непрерывной записи среднего значения рабочего параметра.

• (SONET) — это стандарт оптического интерфейса, который позволяет объединять в сеть продукты передачи от нескольких поставщиков. Базовая скорость составляет 51,84 Мбит/с («OC-1/STS-1»), а более высокие скорости прямо кратны базовой скорости, вплоть до 13,22 Гбит/с.

• означает геометрию линейного ускорителя, в которой ускоренный электронный пучок должен менять направление, проходя через поворотный магнит.

• имеет значение, указанное в Разделе 3. 03(c).

• означает открытую демонстрацию или хранение Табачных изделий или Табачных принадлежностей таким образом, который физически доступен для широкой публики без помощи розничного продавца или сотрудника розничного продавца, а также прямую передачу от человека к человеку между покупатель и розничный продавец или работник розничного продавца. Торговый автомат — это форма дисплея самообслуживания.

• означает каждый последующий 28-дневный период в течение срока действия настоящего договора, начинающийся в 00:00 часов 1 апреля каждого года, при условии, что продолжительность первого и последнего таких периодов в любом году может варьироваться не более чем на 7 дней после разумного предварительного уведомления от Network Rail Оператору поезда;

• означает любое определение, решение или выбор в отношении любого технического, административного или оперативного вопроса (в том числе в отношении порядка и сроков публикации SOFR на трехмесячный срок или изменений в определении «Периода с плавающей процентной ставкой»). », сроки и частота определения Трехмесячного срока SOFR в отношении каждого Периода с плавающей процентной ставкой и выплаты процентов, округления сумм или сроков и других административных вопросов), которые, по мнению Компании, могут быть уместными для отражения использования трех- Месяц Срок SOFR в качестве Индикатора способом, в значительной степени соответствующим рыночной практике (или, если Компания решает, что принятие какой-либо части такой рыночной практики не представляется возможным с административной точки зрения, или если Компания определяет, что рыночная практика использования Трехмесячного Термин SOFR существует иным способом, который Компания считает разумно необходимым).

• или «помещение» означает любое недвижимое имущество, спроектированное или используемое для сдачи в аренду или сдачу в аренду отдельных складских помещений арендаторам, которые должны иметь доступ к этим помещениям для хранения и вывоза личного имущества.

• означает прогноз пиковой нагрузки, используемый Управлением межсоединения при определении Требований надежности региона PJM, и должен быть определен как на предварительной, так и на окончательной основе, как указано в Тарифах, Приложение DD, раздел 5.

• означает кабель, который по своей конструкции, пропускной способности и соотношению с другими кабелями Компании можно обоснованно считать предназначенным исключительно для подключения магистрали Оборудования не более чем к одному отдельному потребителю или строительной точке наличие или имущество;

• означает предложение услуг по передаче и коммутации операторам межсетевого обмена с целью установления или прекращения предоставления платных телефонных услуг. Услуги коммутируемого доступа включают в себя: группу функций A, группу функций B, группу функций D, доступ 8XX и 9.00 access и их преемники или аналогичные службы коммутируемого доступа.

• означает общее количество минут в отчетном месяце за вычетом общего количества минут, представленных Запланированным временем простоя.

• означает совокупное количество часов в любом месяце, в течение которых каждое оборудование не работает в течение Общего количества часов работы из-за профилактического обслуживания, планового обслуживания, проблем с инфраструктурой или любой другой ситуации, которая не связана с действиями Подрядчика (или Подрядчика).