Генерация трехмерных профилированных лазерных импульсов и сохранение их формы в процессах генерации оптических гармоник

Среди направлений прогресса современного лазеростроения, таких как увеличение пиковой мощности до экстремальных значений или продвижение в ранее недоступные области спектра, есть одно совершенно экзотическое. Лазерные импульсы, обычно представляющие собой размытые в пространстве вспышки света, теперь могут «нарезаться» в виде произвольных геометрических тел с резкой трехмерной границей, летящих со скоростью света вдоль оптической установки. В последнее время были продемонстрированы в эксперименте импульсы, профилированные в виде трехмерного эллипсоида, цилиндра с осью в направлении распространения лазерного пучка. Эти формы, а также недавно продемонстрированный треугольный во времени импульс, востребованы для дальнейших приложений.

Один из основополагающих законов оптики связывает минимально возможную длительность импульса (или толщину его временной границы при профилировании) с шириной спектра. Если мы хотим управлять временной огибающей лазерного импульса с высоким разрешением, излучение должно содержать целый набор соседних длин волн, как говорят, быть широкополосным. Это свойство ведет к определенным сложностям при проектировании всех структурных блоков оптической схемы лазера.

Инструменты, позволяющие создавать лазерные импульсы специальных форм, в большинстве своем работают в инфракрасной области спектра, то есть с излучением, длина волны которого больше видимой человеческому глазу. В то время как для приложений требуется излучение с более высокоэнергетичным квантом, зеленого цвета, или ультрафиолетовое.

Изменить длину волны лазерного импульса (в нашем случае уменьшить в два, четыре раза) можно, пропустив его через нелинейный кристалл. Этот процесс называется генерацией оптических гармоник. Проблема в том, что эффективность преобразования в гармоники излучения, распространяющегося в нелинейном кристалле в определенном направлении, сильно зависит от исходной длины волны. Напомним, что наши профилированные лазерные импульсы принципиально широкополосные. Это значит, что в стандартной геометрии преобразовываться будет только одна длина волны из широкого спектра, содержащегося в импульсе. А информация о его форме, с таким трудом создаваемой схемами профилирования, потеряется.

Ключевым понятием в решении этой проблемы является упомянутое выше направление распространения излучения в нелинейном кристалле. Широкополосный импульс можно разложить в веер по длинам волн таким образом, чтобы каждая компонента распространялась в кристалле под своим углом, соответствующим максимальной эффективности генерации гармоники. Кроме того, что этот метод увеличивает энергию преобразованного импульса, он позволяет сохранить трехмерную структуру излучения. Ввиду последних достижений в получении профилированных импульсов в инфракрасной области, полученный результат представляет собой последний необходимый шаг эволюции лазеров с импульсами специальных форм, вплотную приближающий их к конечным приложениям.

Призма расщепляет лазерный импульс в угловой спектр, а затем двухлинзовый телескоп приводит угол расхождения крайних длин волн в соответствие с параметрами нелинейного кристалла.

Авторский коллектив: С. Ю. Миронов, А. К. Потемкин, Е. И. Гачева, И. В. Кузьмин, В. В. Зеленогорский, Е. А. Хазанов.