Лазеры ультрокоротких импульсов и их применения

П.Г. КРЮКОВ

ЛАЗЕРЫ  
УЛЬТРАКОРОТКИХ  
ИМПУЛЬСОВ  
И ИХ ПРИМЕНЕНИЯ

П.Г. Крюков
Лазеры ультракоротких импульсов и их применения: Учебное пособие / П.Г. Крюков – Долгопрудный: Издательский
Дом «Интеллект», 2012. – 248 с.
ISBN 9785915590914

Книга посвящена проблеме получения лазерного излучения в виде ультракоротких импульсов, длительность которых приближается к периоду
световой волны, т.е. составляет несколько фемтосекунд. Это одно из важнейших и актуальных направлений современной лазерной физики.
Изложена краткая история исследований, приведших к созданию лазеров фемтосекундных импульсов. Обсуждаются принципы работы лазеров, позволяющих генерировать импульсы фемтосекундной
длительности и усиливать их мощность вплоть до петаваттного уровня.
Показано, как измеряются длительности столь коротких лазерных импульсов. Описаны конкретные системы лазеров. Рассматриваются некоторые наиболее яркие применения в области научных исследований, в
технике и медицине, основанные как на предельно короткой длительности лазерных импульсов, так и на сверхвысокой интенсивности лазерного излучения. В частности, рассматривается новейшее применение
фемтосекундных лазеров – прецизионное измерение оптических частот
и возможность создания сверхточных и компактных оптических часов
на этой основе.
Книга предназначена студентам и аспирантам, изучающим лазерную
физику, а также специалистам, работающим в этой области.

ISBN 9785915590914
© 2012, П.Г. Крюков
© 2012, ООО Издательский Дом
«Интеллект», оригиналмакет,
оформление

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение .....................................................................................................................................9

ЧАСТЬ 1. ЛАЗЕРЫ УЛЬТРАКОРОТКИХ ИМПУЛЬСОВ ..................................................  13

Глава 1. ПРЕДМЕТ КНИГИ .................................................................................................. 14
1.1.  История оптики коротких вспышек света  ...................................................................  14
1.2.   Лазер – новый источник импульсов света .............................................................................15
1.3.   Достижения в области получения лазерного излучения в виде импульсов ................. 17
Литература ....................................................................................................................... 21

Глава 2. ОСНОВЫ ЛАЗЕРОВ ................................................................................................ 22
2.1.  Классическая схема лазера ............................................................................................. 22
2.2.  Резонаторы  ..................................................................................................................... 23
2.2.1. Конфигурация Фабри-Перо ................................................................................. 23
2.2.2. Кольцевая конфигурация ...................................................................................... 24
2.2.3. Зеркала и селекторы мод ....................................................................................... 25
2.2.4. Волоконно-оптические системы .......................................................................... 27
2.3.  Активные среды .............................................................................................................. 30
2.3.1. Твердотельные среды (кристаллы и стёкла) ......................................................... 30
2.3.2. Красители .............................................................................................................. 32
2.3.3. Активные волоконные световоды ........................................................................ 32
2.4. Источники накачки ........................................................................................................ 34
2.4.1. Ламповая накачка .................................................................................................. 34
2.4.2. Лазерная накачка ................................................................................................... 36
2.4.3. Особенности непрерывного режима (резонатор Когельника) ............................ 37
2.4.4. Диодная накачка .................................................................................................... 38
2.4.5.  Проблема отвода тепла и устранения нелинейно-оптических ограничений  ...  43
Литература  ...................................................................................................................... 47

Глава 3. ПРИНЦИПЫ ПОЛУЧЕНИЯ СВЕТА В ВИДЕ ИМПУЛЬСОВ ............................  48
3.1.  Амплитудная модуляция светового пучка ..................................................................... 48
3.2. Быстрое включение источника света ............................................................................. 51
3.3. Метод модуляции добротности ...................................................................................... 51
3.4. Сложение волн ................................................................................................................ 57
3.5. Синтез лазерных пучков ................................................................................................. 59
Литература ....................................................................................................................... 61

Глава 4. МЕТОД СИНХРОНИЗАЦИИ МОД ........................................................................ 62
4.1. Активная синхронизация мод  ....................................................................................... 62
4.2. Пассивная синхронизация мод  ..................................................................................... 66
4.2.1. Сочетание режимов модуляции добротности и синхронизации мод.................. 67
4.2.2.Роль быстродействия просветляющегося поглотителя ........................................ 68
4.2.3.Флуктуационная модель формирования УКИ ..................................................... 68
Литература  ...................................................................................................................... 72

Глава 5. ИЗМЕРЕНИЯ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ В ВИДЕ УЛЬТРАКОРОТКИХ 
ИМПУЛЬСОВ ........................................................................................................................ 73
5.1.  Измерения энергии, спектра и расходимости пучка ..................................................... 73
5.2. Временные измерения .................................................................................................... 74
5.2.1. Развёртка и скоростные фоторегистраторы ......................................................... 74
5.2.2. Электронные методы............................................................................................. 74
5.2.3. Корреляционные методы ...................................................................................... 76
Литература ....................................................................................................................... 80

Глава 6. ЛАЗЕРЫ С ПАССИВНОЙ СИНХРОНИЗАЦИЕЙ МОД ....................................... 81
6.1.  Твердотельные лазеры с ламповой накачкой ................................................................ 82
6.2. Лазеры на красителях ..................................................................................................... 85
6.2.1. Механизм формирования УКИ ............................................................................ 85
6.2.2.  Непрерывный режим (режим «сталкивающихся импульсов») ............................ 88
6.3.  Сравнение разных способов синхронизации мод ......................................................... 90
Литература ....................................................................................................................... 91

Глава 7. ИМПУЛЬС СВЕТА И ЕГО РАСПРОСТРАНЕНИЕ 
В ПРОЗРАЧНОЙ СРЕДЕ ....................................................................................................... 92
7.1. Математическое описание импульса ............................................................................. 92
7.2.  Дисперсия и её роль в распространении импульса ....................................................... 94
7.3.  Методы управления дисперсией групповых скоростей ................................................ 96
7.4. Дисперсия оптических волокон ................................................................................... 101
Литература ..................................................................................................................... 103

Глава 8. ЭФФЕКТЫ САМОВОЗДЕЙСТВИЯ ..................................................................... 104
8.1. Самофокусировка ......................................................................................................... 105
8.2. Фазовая самомодуляция (ФСМ) .................................................................................. 106
8.3.  Синхронизация мод с помощью эффекта нелинейного показателя преломления ... 107
8.3.1. «Добавочная» синхронизация мод ...................................................................... 108
8.3.2.  Волоконный лазер в виде «восьмёрки» ..................................................................109
8.3.3. Керровская линза ................................................................................................ 109
8.3.4. Нелинейная поляризация ................................................................................... 110
8.4.  Взаимная игра дисперсии и фазовой самомодуляции ................................................ 111
8.4.1. Солитонный лазер ............................................................................................... 113
8.4.2. Растянутый чирпированный импульс ................................................................ 114
Литература ..................................................................................................................... 115

Глава 9. СХЕМЫ ФЕМТОСЕКУНДНЫХ ЛАЗЕРОВ ......................................................... 116
9.1.  Объёмные твердотельные лазеры с керровской линзой ............................................. 116
9.2.  Полупроводниковое зеркало с насыщаемым поглотителем (SESAM) ....................... 121

6
 Оглавление

9.2.1. Одностенные углеродные нанотрубки ............................................................... 123
9.2.2. Графен .................................................................................................................. 123
9.3. Волоконные лазеры ...................................................................................................... 124
9.3.1. Солитонный режим ............................................................................................. 125
9.3.2. Режим управляемой дисперсии .......................................................................... 126
9.4.  Общие характеристики фемтосекундных лазеров....................................................... 127
Литература ..................................................................................................................... 129

Глава 10. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ РАССМОТРЕНИЕ  НЕПРЕРЫВНОГО 
ЛАЗЕРА УКИ ......................................................................................................................... 131
10.1. Модель рассмотрения ................................................................................................... 132
10.2. Уравнение Гинзбурга-Ландау ...................................................................................... 133
10.3. Сравнение с экспериментом ........................................................................................ 134
10.4. Принципиальная особенность лазера УКИ непрерывного действия ........................ 134
Литература ..................................................................................................................... 136

Глава 11. УСИЛЕНИЕ УКИ ................................................................................................. 137
11.1. Схемы многопроходного усиления .............................................................................. 139
11.2.  Метод усиления чирпированных импульсов ............................................................... 142
11.3. Параметрическое усиление .......................................................................................... 150
Литература ..................................................................................................................... 155

Глава 12. ПРЕОБРАЗОВАНИЯ МЕТОДАМИ  НЕЛИНЕЙНОЙ ОПТИКИ С ЦЕЛЬЮ 
УПРАВЛЕНИЯ ДЛИТЕЛЬНОСТЬЮ УКИ И СПЕКТРОМ ИЗЛУЧЕНИЯ ..................... 157
12.1. Сокращение длительности импульса ........................................................................... 157
12.2. Контроль формы импульса по спектру ........................................................................ 158
12.2.1.  Сдвиг несущей частоты относительно максимума  огибающей импульса ..... 159
12.2.2. Метод регулировки и контроля формы импульса и спектра ........................... 159
12.3.  Генерация суперконтинуума в виде протяжённой гребёнки оптических частот ....... 164
12.4.  Предельно короткая длительность импульса .............................................................. 165
12.5. Генерация на новых длинах волн ................................................................................. 166
Литература ..................................................................................................................... 168

Глава 13. ГЕНЕРАЦИЯ НА ДЛИНАХ ВОЛН ГРАНИЦ ОПТИЧЕСКОГО 
СПЕКТРАЛЬНОГО ДИАПАЗОНА ...................................................................................... 169
13.1. Терагерцовые пучки ..................................................................................................... 169
13.2.  Вакуумный ультрафиолет и мягкий рентген ............................................................... 176
13.2.1. Генерация гармоник высшего порядка ............................................................ 176
13.2.2. Ионизация атомов в сверхсильном лазерном поле .......................................... 177
13.2.3. Процесс испускания коротковолнового излучения ......................................... 178
13.3. Аттосекундные импульсы ............................................................................................. 179
Литература ..................................................................................................................... 182

Глава 14. ТЕНДЕНЦИИ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАЗВИТИЯ ЛАЗЕРОВ УКИ .......................... 184
14.1. Системы петаваттного уровня  ..................................................................................... 184
14.2. Волоконные системы.................................................................................................... 186
14.2.1.  Насыщающиеся поглотители на основе углеродных наноструктур ................ 186
14.3. Полупроводниковые дисковые лазеры ........................................................................ 189
Литература.  ................................................................................................................... 190

7
 Оглавление

ЧАСТЬ 2 ПРИМЕНЕНИЯ ЛАЗЕРОВ УЛЬТРАКОРОТКИХ ИМПУЛЬСОВ ................... 192

Глава 1. ПРИМЕНЕНИЯ, ОСНОВАННЫЕ НА МИНИМАЛЬНОЙ 
ДЛИТЕЛЬНОСТИ ИМПУЛЬСОВ ...................................................................................... 193
1.1. Исследования сверхбыстрых явлений ......................................................................... 193
1.2. Волновые пакеты и фемтохимия .................................................................................. 196
1.3.  Когерентная временная Фурье-спектроскопия .......................................................... 198
Литература ..................................................................................................................... 199

Глава 2. ПРИМЕНЕНИЯ, ОСНОВАННЫЕ НА ОСОБЕННОСТИ СПЕКТРА 
ФЕМТОСЕКУНДНЫХ ЛАЗЕРОВ НЕПРЕРЫВНОГО ДЕЙСТВИЯ  ............................... 200
2.1. Прецизионная метрология ........................................................................................... 200
2.2.  Проблема точного измерения времени и оптические стандарты частоты ................. 201
2.3.  Проблема измерения оптических частот и её решение с помощью 
фемтосекундных лазеров непрерывного действия (оптические часы) ...................... 206
2.4.  Компактные оптические сверхточные часы на основе фемтосекундной гребёнки ..... 208
2.5. Прецизионное измерение длины ................................................................................. 212
2.6. Лазерный фемтосекундный гироскоп ......................................................................... 212
2.7. Прецизионная спектроскопия ..................................................................................... 213
2.7.1. Тесты фундаментальных теорий ......................................................................... 214
2.8. Применения в астрономии ........................................................................................... 214
2.8.1. Интерферометр со сверхдлинной базой ............................................................. 215
2.8.2. Калибровка астрономических спектрографов ................................................... 216
Литература ..................................................................................................................... 220

Глава 3. ПРИМЕНЕНИЯ, ОСНОВАННЫЕ  НА ВЫСОКОЙ МОЩНОСТИ, 
ИНТЕНСИВНОСТИ И НАПРЯЖЁННОСТИ ПОЛЕЙ В СВЕТОВОЙ ВОЛНЕ .............. 222
3.1.  Релятивистский режим взаимодействия излучения с веществом .............................. 222
3.2. Ускорение электронов и протонов .............................................................................. 223
3.3. Инициирование фотоядерных реакций ....................................................................... 225
3.4. Лазерный термоядерный синтез .................................................................................. 225
3.5.  Генерация жёсткого рентгеновского и γ-излучения ................................................... 228
3.6.  Эксперименты по нелинейной квантовой электродинамике ..................................... 230
Литература ..................................................................................................................... 231

Глава 4. ПРИМЕНЕНИЯ В ТЕХНИКЕ  .............................................................................. 232
4.1.  Сверхбыстродействующая оптоэлектроника .............................................................. 232
4.2. Прецизионная обработка материалов ......................................................................... 234
4.3. Изготовление микро- и наноструктур ......................................................................... 236
Литература ..................................................................................................................... 237

Глава 5. ПРИМЕНЕНИЯ В МЕДИЦИНЕ И БИОЛОГИИ ............................................... 238
5.1. Прецизионная хирургия ............................................................................................... 238
5.2. Микрохирургия клеток ................................................................................................. 239
5.3. Возможная терапия рака .............................................................................................. 240
5.4. Оптическая когерентная томография .......................................................................... 240
5.5. Двух- и трёхфотонная микроскопия ............................................................................ 242
Литература ..................................................................................................................... 243

Заключение ............................................................................................................................ 244

8
Оглавление

ВВЕДЕНИЕ

Книга написана на основе лекций, читавшихся автором в течение 
ряда лет по курсу «Лазеры ультракоротких импульсов и их применения» студентам 
Московского  физико-технического института. Цель книги – дать будущим физикам-экспериментаторам, инженерам и технологам основные сведения о лазерах 
особого типа, а именно, лазерах, генерирующих излучение в виде ультракоротких 
импульсов (УКИ) и показать их важность для современной науки и техники. 
В настоящее время исследование и создание таких лазеров, а также их применение является весьма важной и актуальной областью физики лазеров и квантовой 
электроники. Важность этой проблемы обусловлена стремлением получить высокую 
пиковую мощность излучения и огромную интенсивность при фокусировании лазерного пучка. Это, в свою очередь, открывает возможность достижения огромных 
напряжённостей полей в электромагнитной волне, а также концентраций энергии 
в пространстве и во времени, сравнимых с теми, что достигаются в ядерном взрыве. 
Другим обстоятельством, мотивирующим развитие лазеров УКИ, является 
стремление проводить измерения в масштабах предельно коротких интервалов 
времени, что, в свою очередь, даёт возможность исследовать самые различные 
быстропротекающие явления. Сама по себе проблема измерения времени является 
фундаментальной. Необходимо точное измерение и хранение текущего времени, 
а также возможность измерений с предельным временным разрешением. Иными 
словами, необходимы часы с высокой точностью хода, снабжённые секундомером. 
Замечательно, что развитие лазеров УКИ позволило добиться выдающихся успехов 
как в области измерений предельно коротких интервалов, так и в области измерения 
и хранения времени (высокопрецизионные оптические часы).
За 50 лет, прошедших с появления первого лазера Т. Меймана в 1960 г., достигнут 
огромный прогресс в сокращении длительности импульса лазерного излучения и в 
достижении высокой пиковой мощности. Характерным показателем этого прогресса 
стало введение в обиход специалистов, занимающихся лазерами, метрических приставок для величин длительности (секунда) и мощности (ватт). Так последовательно 
стали употреблять наносекунды (10-9с), пикосекунды (10-12с), фемтосекунды (10-15с) 

и даже аттосекунды (10-18с), а также мегаватты (106Вт), гигаватты (109Вт), тераватты 
(1012Вт), петаватты (1015Вт) и даже эксаватты (1018Вт). 
Настойчивые и целеустремлённые усилия специалистов, работающих в области 
генерации УКИ, привели к выдающимся результатам. Длительность импульса 
лазерного излучения удалось сократить с десятков наносекунд до 2–3 фемтосекунд 
и приблизиться к фундаментальному пределу – периоду световой волны. При взаимодействии интенсивного излучения в виде фемтосекундных импульсов с веществом 
(инертные газы) удаётся получать импульсы ещё короче, до десятков аттосекунд, но 
уже на длинах волн, лежащих между диапазонами вакуумного ультрафиолета и мягкого рентгена. 
За счёт сокращения длительности импульса лазерного излучение получается 
увеличение пиковой мощности при сравнительно небольшой энергии (несколько 
десятков Дж). Так, при усилении излучения в виде фемтосекундных импульсов 
пиковая мощность может достигать 1 петаватта. При фокусировании лазерного пучка 
с такой мощностью можно получить интенсивность на уровне 1021Вт/см2. Чтобы 
иметь представление об этой величине, можно оценить соответствующее ей давление 
света. Оно составляет около 300 ГБар, что сравнимо с давлением в центре Солнца! 
Разумеется, оно имеет место лишь в максимуме импульса, т.е. за доли фемтосекунды. 
При столь огромной интенсивности излучения напряжённость электрического поля в световой волне лазерного излучения достигает значения около1012В/
см, что значительно больше внутриатомного поля (напряжённость кулоновского 
поля в боровском атоме 5×109В/см). Взаимодействие столь интенсивного лазерного 
излучения с веществом является режимом нелинейной релятивистской оптики. 
Неудивительно, что лазерные установки петаваттной мощности рассматриваются 
как замечательные инструменты, позволяющие экспериментально исследовать 
вещества, находящегося в экстремальных условиях, близких к тем, что имеют место 
при ядерных взрывах и в астрофизических объектах. 
Основным методом генерации УКИ является метод синхронизации мод лазерного резонатора, а высокие пиковые мощности излучения получаются за счёт 
последующего усиления. Отметим, что современные лазерные системы с пиковой 
мощностью в десятки тераватт размещаются в лабораторном помещении площадью 
около 100 м2.
Настойчивые и обстоятельные исследования привели к созданию лазера, по 
существу, нового типа. А именно, лазера непрерывного действия с пассивной синхронизацией мод, способного генерировать строго периодическую последовательность совершенно одинаковых импульсов фемтосекундной длительности. Обычно, 
лазер испускает либо одну или несколько узких спектральных линий, либо испускает 
излучение в виде короткого импульса с непрерывным спектром, ширина которого 
соответствует длительности импульса. При строго периодической последовательности совершенно одинаковых импульсов, спектр излучения уже не является непрерывным, а представляет собой гребёнку чрезвычайно узких, строго эквидистантно 
расположенных линий, причём полная ширина спектра соответствует длительности 
импульса и может достигать величины, близкой к частоте максимума спектра.

10
 Введение

Таким образом, фемтосекундный лазер непрерывного действия сочетает свойства как лазера с узкой спектральной линией, так и лазера УКИ. Так, с помощью 
монохроматора можно выделить одну из спектральных линий и использовать излучение для прецизионных спектральных измерений. А с помощью электрооптического затвора можно выделить одиночный ультракороткий импульс и использовать 
излучение для исследований различных сверхбыстрых явлений, либо, при усилении, 
для получения излучения с огромной интенсивностью. 
Очевидно, что уникальные особенности лазеров УКИ обуславливают их многочисленные применения в фундаментальной науке, технике и медицине. Благодаря 
исключительно короткой длительности импульса удаётся исследовать сверхбыстрые релаксационные процессы микромира, для которых фемтосекунда является 
естественным масштабом времени. Недаром появление лазеров фемтосекундных 
импульсов сравнивают с изобретением микроскопа. 
В химии удаётся проследить ход химических реакций на временной шкале 
десятков и сотен фемтосекунд и, воздействуя на реагирующие молекулы излучением 
фемтосекундных импульсов с определённой, регулируемой задержкой, осуществлять фотохимические реакции по определённым каналам, по которым протекание 
реакции мало вероятно при облучении обычными источниками света. Возникло 
новое научное направление – фемтохимия, причём успехи в этой области были отмечены присуждением А. Зивейлу Нобелевской премии по химии в 1999 г.
Огромная интенсивность в сфокусированных пучках и связанные с нею напряжённости электрических и магнитных полей даёт возможность изучать процессы 
взаимодействия света с веществом в режимах, недоступных прежде для экспериментаторов. Продемонстрирована возможность инициирования ядерных реакций, 
исследуются эффекты квантовой электродинамики при взаимодействии сверхинтенсивных лазерных пучков с пучками ультрарелятивистских электронов. Проводятся 
эксперименты с релятивистской плазмой. Успешно реализованы схемы получения 
направленных пучков жёсткого рентгеновского и γ-излучения при взаимодействии 
с пучками электронов, а также схемы ускорения электронов.
С помощью лазеров УКИ методами нелинейной оптики удаётся существенно 
расширить спектральный диапазон лазерного излучения. В частности, удаётся осуществить генерацию и эффективные методы регистрации излучения в терагерцовом 
диапазоне (1 ТГц = 1012 Гц) – в области пограничной между инфракрасным диапазоном и диапазоном радиоволн. Граница фемтосекундных исследований переместилась от фемтосекунд в область аттосекунд. С помощью импульсов длительностью 
короче 10 фс при высокой интенсивности стала возможной генерация высших гармоник вплоть до мягкого рентгена. Причём это излучение может испускаться в виде 
одиночных на периоде следования УКИ аттосекундных импульсов. С их помощью 
удаётся изучать динамику электронов в реальном времени суб-фемтосекундного 
масштаба. 
Уникальная особенность современных фемтосекундных лазеров – сочетание 
свойств высоко монохроматического излучения с предельно короткой длительностью импульса – позволила совершить революционный прорыв в области преци
11
Введение

зионных измерений частоты в оптическом диапазоне. С помощью использования 
фемтосекундной гребёнки оптических частот удалось провести прецизионные 
измерения в спектроскопии, в частности, измерить частоту перехода 1S–2S атома 
водорода с точностью до 14-го знака и уточнить значение фундаментальной константы – постоянной тонкой структуры. На основе таких исследований удалось 
создать схемы сверхточного измерения времени – фемтосекундные оптические 
часы. Причём эти схемы отличаются компактностью и эффективностью. За работы 
в этой области Джон Холл и Теодор Хэнш получили в 2005 г. Нобелевскую премию 
по физике. Современные системы позволяют измерять оптические частоты с такой 
высокой точностью, что становятся возможными измерения радиальных скоростей 
звёзд (по доплеровскому сдвигу) с точностью до 1 см/с. Это открывает замечательные 
перспективы в области астрофизики.
Также впечатляющи применения в области техники. Фемтосекундный лазер 
превратился из сложной лабораторной аппаратуры и объекта научных исследований 
в удобный, доступный и универсальный инструмент, пригодный для многих важных 
применений. Лазеры УКИ с успехом используются в системах волоконно-оптической 
связи. Более того, сочетание успехов в области волоконной оптики и исследований 
лазеров УКИ привело к созданию высокоэффективных, компактных волоконных 
фемтосекундных лазеров, сочетающих высокий кпд (десятки процентов) с компактностью - фемтосекундные волоконные лазеры помещаются на ладони. 
Важнейшим применением является прецизионная микрообработка лазерным 
излучением различных материалов. Это применение требует особых характеристик 
излучения (энергия в импульсе на уровне 1 мкДж при частоте повторения около 
1МГц со средней выходной мощностью на уровне десятков Вт). Компактные фемтосекундные лазеры на основе оптических волокон с успехом применяются в этой 
области, в частности, для создания микро- и наноструктур. 
В медицине фемтосекундные лазеры используются для проведения тонких 
операций в офтальмологии и для создания искусственных кровеносных сосудов. 
Показана возможность микрохирургии клеток. К области применений в медицине 
и биологи можно также отнести двух- и трёхфотонную микроскопию и оптическую 
когерентную томографию, в которых фемтосекундные лазеры играют важную роль. 
Стремление сократить длительность импульсов лазерного излучения, а также 
сделать лазерные системы компактными и эффективными, естественным образом 
связано с тенденцией современной электроники к миниатюризации и повышению 
быстродействия электронных и фотонных устройств. Помимо использования фемтосекундных лазеров для тестирования самых быстродействующих полупроводниковых схем, их можно использовать и для контроля и управления оптоэлектронных 
устройств, в частности, в области терабитовой волоконно-оптической связи. 
В книге рассматриваются основные принципы генерации ультракоротких 
импульсов и методы их усиления, проблема измерения временных параметров, 
а также конкретные, современные лазерные установки. На примере наиболее ярких 
результатов обсуждаются различные применения. 

12
 Введение

ЧАСТЬ 1
ЛАЗЕРЫ 
УЛЬТРАКОРОТКИХ 
ИМПУЛЬСОВ

1.1.  
 ИСТОРИЯ ОПТИКИ КОРОТКИХ ВСПЫШЕК СВЕТА

Свет в виде вспышек является важной частью оптики. Многие 
применения основаны на источниках световых вспышек. Это, например, 
связь. Информацию можно закодировать в виде вспышек и пауз между 
ними (точки и тире в азбуке Морзе). Такая семафорная система передачи 
информации используется во флоте. Её преимуществом является простота. 
Требуется лишь прожектор со шторкой, управляемой рукой. Благодаря 
определённой направленности луча прожектора затрудняется перехват 
информации противником. Очевидно, что быстрота передачи информации 
определяется тем, насколько часто посылаются и принимаются световые 
вспышки (импульсы света), а, значит, и тем, насколько они коротки.
Стремление получать свет в виде импульсов диктовалось также исследованиями быстропротекающих явлений. Было замечено, что вспышка 
молнии как бы «замораживает» изображение быстро движущегося объекта, например, вращающегося колеса. На основе таких наблюдений Плато 
в 1833 г. изобрёл стробоскоп – оптический прибор, который позволяет как 
бы остановить момент протекания исследуемого быстрого периодического 
движения путём регулирования частоты повторения вспышек света, освещающего объект. 
В качестве источника световых вспышек стали использовать искры электрического разряда. В 1851 г. Тальбот успешно использовал такие искры 
для получения резких фотографий газетного листа, укреплённого на быстро 
вращающемся колесе. Контакты на колесе позволяли получать вспышки 
с частотой его вращения. Если такие «мгновенные» фотографии производить последовательно через определённые интервалы времени, то получатся кадры киносъёмки. При малом интервале между кадрами получается 
большая скорость смены кадров, и при нормальной скорости проектирования изображения получается хорошо известная замедленная скоростная 
киносъёмка.

ПРЕДМЕТ КНИГИ
Г Л А В А
1

В 1931 г. Эджертон разработал эффективный импульсный источник 
света, предназначенный для скоростного фотографирования. Конденсатор, 
заряженный до высокого напряжения, разряжался через кварцевую трубку, 
наполненную ксеноном. Это хорошо известная лампа-вспышка. Разряд 
конденсатора производился через тиратрон. Получались яркие вспышки 
длительностью до микросекунд, причём частота повторения и момент появления вспышки легко и точно регулировались с помощью электронной 
схемы управления тиратроном. Были получены эффектные фотографии, 
показанные на рис. 1.1.
Очевидно, что чем меньше длительность вспышки, тем более быстрые 
явления можно исследовать, иными словами, тем лучше временное разрешение. Яркость такого импульсного источника света определяется электрической энергией, запасённой в конденсаторе, т.е. пропорциональна СV 2, где 
С – ёмкость конденсатора, а V – напряжение на нём. С другой стороны, длительность вспышки определяется временем разряда конденсатора, которое 
пропорционально RC, где R – сопротивление цепи разряда. Мы видим, что 
для увеличения яркости нужно увеличивать ёмкость, а для сокращения длительности уменьшать её. Поэтому достаточно яркие вспышки удаётся получать при длительностях не менее десятых долей микросекунды.

1.2.  
 ЛАЗЕР – НОВЫЙ ИСТОЧНИК ИМПУЛЬСОВ СВЕТА

Появление лазера (1960 г.) радикально изменило ситуацию 
в области оптики коротких импульсов света. Это связано с уникальными 

Рис. 1.1. Фотографии Эджертона

15
1.2. Лазер – новый источник импульсов света

особенностями лазеров. Они, как известно, являются генераторами электромагнитных волн оптического диапазона и обладают следующими уникальными свойствами. Во-первых, лазер позволяет получать свет в виде 
исключительно яркого почти параллельного пучка. Малый телесный угол, 
в котором сосредоточен пучок (угол расходимости) ограничен лишь дифракцией на выходной апертуре лазера. Мощность излучения лазера, а при фокусировании пучка интенсивность, могут достигать значений, превосходящих 
на много порядков значения, характерные для обычных, даже самых ярких, 
источников света. Во-вторых, благодаря использованию оптического открытого резонатора спектр излучения лазера может представлять набор монохроматических волн, частоты которых отличаются друг от друга на постоянный 
интервал, и которые могут заполнять широкую полосу спектра. 
Генерация излучения в виде всё более коротких импульсов является важнейшим направлением современной лазерной физики и её многочисленных 
применений. Стремление сократить длительность импульса мотивируется 
следующими обстоятельствами. 
Во-первых, сокращение длительности импульса света повышает временное разрешение методик исследований быстропротекающих явлений. 
В микромире атомов, молекул и конденсированных сред (жидкости 
и твёрдые тела) важную роль играют физические процессы, протекающие 
в масштабах фемтосекунд (1фс = 10-15 с). Современные лазеры ультракоротких импульсов позволяют непосредственно изучать протекание таких 
процессов. В области техники получение лазерного излучения в виде достаточно коротких импульсов способствует развитию быстродействующей электроники и систем передачи и обработки информации. Совершенствование 
систем информации является одним из магистральных направлений развития лазерной физики и техники, и лазеры, генерирующие излучение в виде 
импульсов достаточно короткой длительности, занимают важное место 
в новейшей отрасли оптики – волоконной оптики. Здесь важнейшим достижением является создание волоконных лазерных систем, а также систем 
передачи информации с беспрецедентной скоростью – до петабит в секунду 
(1015 бит/с). 
Во-вторых, при сокращении длительности импульса увеличивается 
пиковая мощность лазерного излучения, а при фокусировании лазерного 
пучка – интенсивность. Открывается возможность концентрации энергии 
света в пространстве и во времени. Это крайне важно для исследований 
в новой области оптики, нелинейной оптики, возникшей с появлением 
лазеров, а также для исследований взаимодействия лазерного излучения 
с веществом при экстремальных условиях. Как было указано во Введении, 
сокращение длительности импульса лазерного излучения вплоть до фемтосекунд означает огромный скачок по шкале пиковых мощностей и интенсивностей. Сравнительно небольшая энергия лазерного излучения, порядка 

16
Глава 1. Предмет книги