CC BY
35
ПРИНЦИП РЕГИСТРАЦИИ СВЕРХКОРОТКИХ ЛАЗЕРНЫХ ИМПУЛЬСОВ
Бронислав Сергеевич Могильницкий
Сибирская государственная геодезическая академия , 630108, г. Новосибирск, ул. Плахотного,
10, доцент кафедры метрологии, стандартизации и сертификации, ФГАОУ АСМС, Новосибирский филиал, Новосибирск , ул.Революции,36., кандидат физико-математических наук, заведующий кафедрой, тел. 212-51-09, e-mail: [email protected]
В статье рассмотрен принцип регистрации информационных сверхкоротких лазерных импульсов нано-, пико-, фемтосекундного диапазона длительностей оптическими методами.
Ключевые слова: сверхкороткие лазерные импульсы, интерферометр Фабри - Перо, частотный и пространственный спектр импульса, интерференционная картина, голограмма.
PRINCIPLE OF REGISTRATION OF SUPERSHORT LASER PULSES
Bronislav S. Mogilnitsky
The Siberian state geodetic academy, 630108, Novosibirsk, Street Plahotnogo, 10, the senior lecturer of chair of metrology, standardization and certification,Academy of standardization, metrology, certification, Novosibirsk branch, Revolution street, 36, 630004, the candidate of physical and mathematical Sciences, head of the Department, тel. 212-51-09, e-mail: [email protected]; Siberian State Academy of Geodesy (SGGA),10 Plakhot-nogo UI., Novosibirsk, 630108, Russian Federation
In article the principle of registration of information supershort laser impulses nano- piko- a range of femtosecond duration is considered by optical method.
Key words: ultrashort laser pulses, Fabry-Perot interferometer, the frequency and spatial spectrum of the pulse, the interference pattern, a hologram.
Одной из главных задач на пути широкого использования лазерных сверхкоротких импульсов (СКИ) света является разработка принципиально новых методов и устройств для исследования формы импульсов лазерного излучения с пикосекундным и фемтосекундным разрешением.
Согласно современным представлениям временная форма сверхкороткого импульса формируется из частотного спектра импульса с помощью преобразований Фурье [2].
В области пико- и фемтосекундных длительностей из-за фазовой модуляции частоты генерации вследствие дисперсии лазерного кристалла (чирп) частотные интервалы продольных мод лазера не являются эквидистантными. Возможность формирования эквидистантой решетки частот спектра импульсов представлена в[3].
Для регистрации и анализа формы СКИ интенсивно разрабатываются оптические методы. Так в работе [4] изложен метод разложения формы СКИ в пространственный спектр дискретных компонент эквивалентных частотному
спектру СКИ. Возникающая при этом интерференционная картина пространственных компонент и представляет временную форму СКИ.
Разложение оптического импульса на монохроматические компоненты, существующие одновременно и независимо, связано с разделением их в пространстве. Это осуществляется с помощью оптического спектрального прибора (призма, дифракционная решетка, ИФП) [5]. На рис. 1 представлен принцип разложения СКИ в спектр пространственных компонент.
Рис. 1. Схема разложения СКИ в пространственный спектр
Плоский фронт СКИ направлен под некоторым углом к плоскости дифракционной решетки. В результате дифракции на соседних щелях формируются световые когерентные потоки, сфокусированные линзой в излучение с плоскими волновыми фронтами, которые интерферируя, создают пространственную интерференционную картину. При распространении фронт импульса «пробегает» щели решетки снизу вверх по направлению стрелки, вращая дифракционную волну вокруг точки заднего фокуса линзы. При симметричном направлении фронта СКИ относительно оси линзы интерференционная волна вращается в противоположном направлении. Одновременное попадание фронтов СКИ на плоскость решетки под противоположными равными углами создает плоскопараллельную дифракционную волну регистрируемую на информационном носителе: фотопленка, фотоматрица, кристалл и др. (рис. 2).
Фронт импульса кристалл изображение
2-ая гармоника
Рис. 2. Сверхбыстрое время-пространственное преобразование
При прохождении скомпенсированных дисперсий световых потоков через нелинейный кристалл возникает третий плоскопараллельный поток на удвоенной частоте (вторая гармоника излучения) [4].
Вся информация о временной (частотной) форме импульса содержится в интерференционной картине, которую необходимо расшифровать. Для этого может быть использован метод спектральной голографии [6] (рис. 3).
Первый этап - регистрация спектральной голограммы.
Фронты СКИ линза спектральная голограмма
Рис. 3. Регистрация спектральной голограммы
В этом случае на вход дифракционной решетки падают два одинаковых СКИ, разделенных временным интервалом Т (период следования синхронизованных импульсов), который должен быть меньше времени пробега фронта импульса щелей решетки. Один из них (первый) информационный, а второй - опорный, не участвующий в акте отражения от исследуемой поверхности. Спектр голограммы содержит запись Фурье-спектра информационного импуль-са относительно спектра опорного импульса.
Когда оба импульса имеют одинаковую дельтообразную форму, спектральная голограмма представляет собой последовательность равноотстоящих полос (рис. 3, справа). Если форма информационного импульса отличается от формы опорного, то это отразится на виде последовательности интерференционных полос - расстояние между ними изменится.
В работе [7] показано, что при математической обработке спектральной голограммы определяется форма СКИ. Спектральная голограмма -двухступенчатый процесс, включающий запись СКИ и его оптическое восстановление в виде реальной копии [8]. Использование интерферометра Фабри-Перо (ИФП) для регистрации и восстановления наносекундных СКИ представлено в [9].
Расшифровка формы импульса осуществляется разработанными математическими методиками обработки интерференционных изображений, например [10].
Различие в форме и длительности опорного и информационного импульсов -результат акта взаимодействия СКИ с исследуемой средой. Точное измерение длительности сверхкоротких лазерных импульсов изложено в [11,12].
ИФП линза голограмма
Рис. 4. Спектральный прибор для записи голограммы (вверху): ИФП с боковым входом, Фурье-линза, голограмма; спектральный прибор для восстановления
голограммы (внизу рисунка): здесь два ИФП, две линзы и голограмма
Итак, основная информация о взаимодействии когерентного излучения сверхкороткой длительности с исследуемой средой определяется изменением временной формы отраженного СКИ. Разработанные к настоящему времени оптические методы анализа формы СКИ, решают фундаментальную проблему сегодняшнего дня - проблему получения информации, заключенную в форме и длительности сверхкороткого импульса света.
В заключение отметим, что интерферометр Фабри-Перо является удобным устройством для спектрально - временного анализа сверхкоротких информационных лазерных импульсов. Такой анализ для наносекундных импульсов представлен в [13]. Особенности его работы при импульсном освещении изложены в работах [14,15].
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Парафанова, В. Петаваты, фемтосекунды и термояд. [Текст] / В. Парафанова // Наука и жизнь. - 2004. - № 4.
2. Сверхкороткие световые импульсы, под ред. С Шапиро. - М.: Мир, 1981. - C. 38.
3. Bagayev S.N., Chepurov S.V., Klementyev V.M.et al.// Appl.Phys.B. 2000. V. 70. - P.
375.
4. Мазуренко Ю.Т. Спектральная когерентная оптика [Текст]. Ю.Т Мазуренко // Оптический журнал. - 1998. - Т. 65. - № 10 - С. 5-12.
5. Мазуренко Ю.Т. Нелинейная оптика спектрально разложеных волновых пакетов. [Текст] Ю.Т Мазуренко // Оптика и спектроскопия. - 1985. - Т. 59. - Вып. 1. - С. 57-61.
6. Mazurenko Yu.T. Holography of wave packets// Appl.Phys. - 1990. -V. B59. -№ 2. - P. 101-114.
7. Frochly C., Colombeau B., Vainpouille M. Shapping and analisis of picosecond light pulses // Procress in Optics. - 1983. - V. 20 - P. 63-153.
8. Mazurenko Yu.T. et al. Spectral holography of pico- and nanosecond optical pulses//Optics and Laser Techn. - 1996. - V. 218. - № 4. - P. 285-290.
9. Мазуренко Ю.Т.Анализ формы сверхкоротких импульсов методом спектральной интерферометрии. [Текст]. Ю.Т. Мазуренко, С.Э. Путилин, А.Г. Пельменев, В.Н. Шехтман // Оптика и спектроскопия. - 2000. - Т. 89. - № 4. - С. ббб-672.
10. Киричук В.С. и др. [Текст] В.С. Киричук // Автометрия. - 1973. - № 1. - C. 63.
11. Могильницкий Б.С. Измерение некоторых параметров сверхкоротких лазерных импульсов [Текст] / Б.С. Могильницкий // Сборник материалов VI Международного научного конгресса “Гео-Сибирь-2010”.- Новосибирск: 2010,-Т. 5. - Ч. 2. - С. 14З-146.
12. Могильницкий Б.С. Импульсная интерферометрия: возможности и их реализация. [Текст] / Б.С. Могильницкий // Материалы X международной научно-технической конференции (АПЭП -2010). Новосибирск. - 2010. - Т. З. - C. 60.
13. Беспалов В.Г. Спектрально-временной анализ переходных процессов в интерферометре Фабри-Перо. [Текст] / В.Г. Беспалов, Ю.Н. Ефимов, Д.И. Стаселько // Оптика и спектроскопия. - 2001. - Т. 90. - № 4. - С. б90-698.
14. Могильницкий Б.С. Интерферометр Фабри-Перо при импульсном освещении: новый подход и возможности [Текст] / Б.С. Могильницкий // Измерительная техника. - 2009. - № 12. - С. 11-15.
15. Mogilnitsky B.S. Fabry-Perot Interferometer in the World of Pulses: New Approaches and Capabilites. [Text] / B.S.Mogilnitsky, Ju.N. Ponomarev // Atmospheric and Oceanic Optics. -2009. - V. 22. - № 5. - PP. 544-550.
© Б.С. Могильницкий, 2012
