СВЕРХКОРО́ТКИЕ СВЕТОВЫ́Е И́МПУЛЬСЫ

СВЕРХКОРО́ТКИЕ СВЕТОВЫ́Е И́М­ПУЛЬ­СЫ, им­пуль­сы с дли­тель­но­стью, со­по­ста­ви­мой с пе­рио­дом ко­ле­ба­ний не­су­щей час­то­ты им­пуль­са. Чёт­кой гра­ни­цы оп­ре­де­ле­ния диа­па­зо­на дли­тель­но­стей С. с. и. (их на­зы­ва­ют так­же ульт­ра­ко­рот­ки­ми) нет. По­ня­тие ко­рот­ких све­то­вых им­пуль­сов ме­ня­лось по ме­ре раз­ви­тия ла­зер­ной фи­зи­ки. В нач. 1960-х гг. раз­ра­бот­ка ме­то­дов мо­ду­ля­ции доб­рот­но­сти при­ве­ла к воз­мож­но­сти ста­биль­ной ге­не­ра­ции на­но­се­кунд­ных ла­зер­ных им­пуль­сов (дли­тель­но­стью 10^–7–10^–8 с), ко­то­рые в то вре­мя бы­ли са­мы­ми ко­рот­ки­ми. Раз­ви­тие ме­то­дов син­хро­ни­за­ции мод по­зво­ли­ло про­дви­нуть­ся в об­ласть ге­не­ра­ции С. с. и. пи­ко­се­кунд­но­го диа­па­зо­на (10^–9–10^–10 с). Этот же ме­тод ле­жит в ос­но­ве ге­не­ра­ции фем­то­се­кунд­ных ла­зер­ных им­пуль­сов (10^–13–10^–15 с). Воз­мож­ность ге­не­ра­ции С. с. и. свя­за­на с раз­ви­ти­ем ме­то­дов соз­да­ния ак­тив­ных сред с ши­ро­кой по­ло­сой уси­ле­ния.

Сверх­ко­рот­кий ла­зер­ный им­пульс яв­ля­ет­ся су­пер­по­зи­ци­ей боль­шо­го чис­ла мо­но­хро­ма­тич. волн, ка­ж­дая из ко­то­рых име­ет бес­ко­неч­ную дли­тель­ность. Отд. ком­по­нен­ты это­го им­пуль­са долж­ны быть стро­го сфа­зи­ро­ва­ны, что дос­ти­га­ет­ся с по­мо­щью ме­то­дов син­хро­ни­за­ции мод. В ре­зо­на­то­ре ла­зе­ра су­ще­ст­ву­ет на­бор мод, имею­щих наи­боль­шую доб­рот­ность; напр., в пус­том плос­ком ре­зо­на­то­ре та­ки­ми яв­ля­ют­ся про­доль­ные мо­ды, ве­ли­чи­на вол­но­во­го век­то­ра ко­то­рых оп­ре­де­ля­ет­ся вы­ра­же­ни­ем 𝑘_n=πn/L, где n – це­лое чис­ло, L – дли­на ре­зо­на­то­ра. Меж­мо­до­вое рас­стоя­ние для них рав­но Δω=Δ𝑘_nc=πc/L, где с – ско­рость све­та. Ес­ли ши­ри­на по­ло­сы уси­ле­ния ак­тив­но­го эле­мен­та рав­на Δω₀, то в ре­зо­на­то­ре наи­боль­шую ам­пли­ту­ду бу­дут иметь N=Δω₀/Δω мод. Для син­хро­ни­зо­ван­ных (сфа­зи­ро­ван­ных) мод дли­тель­ность им­пуль­са ге­не­ра­ции оп­ре­де­ля­ет­ся вы­ра­же­ни­ем τ₀=2π/Δω₀.

В аль­тер­на­тив­ном спо­со­бе фор­ми­ро­ва­ния С. с. и. ис­поль­зу­ют яв­ле­ние ком­прес­сии фа­зо­во­мо­ду­ли­ро­ван­ных им­пуль­сов в дис­пер­ги­рую­щих сре­дах. Наи­боль­шее прак­тич. раз­ви­тие по­лу­чил ме­тод на ос­но­ве фа­зо­вой са­мо­мо­ду­ля­ции, ис­поль­зую­щий за­ви­си­мость по­ка­за­те­ля пре­лом­ле­ния n не­ли­ней­ных сред от ин­тен­сив­но­сти им­пуль­са: n=n₀+n₂I(z,t), где I(z,t) – ин­тен­сив­ность им­пуль­са, n₂ – не­ли­ней­ная до­бав­ка. Вслед­ст­вие не­ли­ней­но­сти сре­ды фа­за им­пуль­са по ме­ре его рас­про­стра­не­ния вдоль оси z по­лу­ча­ет до­бав­ку Δφ=ω₀n₂Iz/c. При про­хо­ж­де­нии пу­ти L в не­ли­ней­ной сре­де час­то­та им­пуль­са в пре­де­лах его дли­тель­но­сти при­об­ре­та­ет до­бав­ку Δω(τ)=ω₀n₂I(τ)L/cτ₀, где τ₀ – дли­тель­ность им­пуль­са, τ – вре­мя за­паз­ды­ва­ния в сис­те­ме ко­ор­ди­нат, дви­жу­щей­ся вме­сте с оги­баю­щей ин­тен­сив­но­сти им­пуль­са. При рас­про­стра­не­нии в дис­пер­ги­рую­щей сре­де дли­тель­ность им­пуль­са мо­жет быть со­кра­ще­на до зна­че­ния τ_min=τ₀[1+(Δω(0)τ₀)²]^–1/2. Напр., оп­тич. им­пульс с ин­тен­сив­но­стью 10⁹ Вт/см² на дли­не вол­ны 1 мкм при рас­про­стра­не­нии в квар­це­вом во­лок­не дли­ной 50 м при­об­ре­та­ет час­тот­ную мо­ду­ля­цию Δω(0)τ₀=100. Сле­до­ва­тель­но, им­пульс на вы­хо­де во­лок­на, об­ла­даю­ще­го дис­пер­си­ей, мо­жет быть со­кра­щён в 100 раз по срав­не­нию с его ис­ход­ной дли­тель­но­стью.

Ме­то­ды по­лу­че­ния им­пуль­сов дли­тель­но­стью 10^–15–10^–17 с (ат­то­се­кунд­ные им­пуль­сы) близ­ки к пер­во­му спо­со­бу и сво­дят­ся в осн. к про­бле­ме фа­зи­ров­ки эк­ви­ди­стант­ных гар­мо­ник вы­со­ко­го по­ряд­ка, по­ро­ж­дае­мых ис­ход­ным ла­зер­ным из­лу­че­ни­ем в га­зо­об­раз­ных или кон­ден­си­ров. сре­дах.

С. с. и. мож­но ис­поль­зо­вать для изу­че­ния быс­тро­про­те­каю­щих про­цес­сов в фи­зи­ке, хи­мии, био­ло­гии и др. Дли­тель­ность им­пуль­са оп­ре­де­ля­ет пре­дель­ное вре­мен­нóе раз­ре­ше­ние. Наи­бо­лее рас­про­стра­нён ме­тод «воз­бу­ж­де­ние– зон­ди­ро­ва­ние», ко­гда им­пульс ла­зе­ра воз­бу­ж­да­ет ис­сле­дуе­мый объ­ект, а вто­рой им­пульс, имею­щий ту же или сдви­ну­тую час­то­ту, ре­ги­ст­ри­ру­ет со­стоя­ние объ­ек­та в по­сле­дую­щие мо­мен­ты вре­ме­ни. Ми­ним. вре­мен­нóе раз­ре­ше­ние та­ких схем оп­ре­де­ля­ет­ся дли­тель­но­стью зон­ди­рую­щих им­пуль­сов. Ес­ли име­ет­ся воз­мож­ность ге­не­ра­ции им­пуль­сов дли­тель­но­стью в еди­ни­цы фем­то­се­кунд, то по­яв­ля­ет­ся воз­мож­ность изу­че­ния про­цес­сов воз­бу­ж­де­ния и ре­лак­са­ции да­же наи­бо­лее лёг­ких мо­ле­кул.