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, надёжный 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 – стёклах или полимерных плёнках в случае мощных систем и отрезках нелинейных световодов в случае волоконных систем. При помощи специально разработанного итерационного компьютерного алгоритма происходит обработка трёх спектральных измерений, позволяющая восстановить электрическое поле волны, т. е. реконструировать распределение интенсивности и фазу. Преимуществами метода являются его простота, относительно низкая стоимость, надёжность 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 применён 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 применён 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). DOI: 10.1038/srep33749.