Новый метод оптической метрологии ультракоротких импульсов на основе спектральных измерений
Значимость достижений фемтосекундной лазерной физики, оперирующей с сигналами длительностью от единиц до сотен фемтосекунд (1 фс = 10-15 с), стала осознаваться в полной мере лишь в последние годы. Фемтосекундные лазерные системы оказывают всё возрастающее влияние на многие стороны нашей жизни, например, биомедицину, дистанционную диагностику, мониторинг и охрану окружающей среды, 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 его 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 импульса. 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.
Простой, надежный и недорогой метод характеризации электрического поля сигналов, имеющих временные масштабы в сотни или десятки фемтосекунд, жизненно необходим 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.
Анашкина Елена Александровна, ст.научный сотрудник
отделения нелинейной динамики и оптики,
кандидат физико-математических наук.
Авторы:
Анашкина Е.А., Гинзбург В.Н., Кочетков А.А., Яковлев И.В., Ким А.В, Хазанов Е.А. (ИПФ РАН).
Публикации:
E.A. Anashkina, V.N. Ginzburg, A.A. Kochetkov, I.V. Yakovlev, A.V. Kim, and E.A. Khazanov, "Single-shot laser pulse reconstruction based on self-phase modulated spectra measurements," Scientific Reports 6, 33749 (2016).
