Твердотельные и волоконные лазеры: два направления в технологии фемтосекундных лазеров 

Твердотельные и волоконные лазеры: два направления в технологии фемтосекундных лазеров

Мир фемтосекундных лазеров по сути разделен на два основных направления:

твердотельные фемтосекундные лазеры и волоконные фемтосекундные лазеры. Подобно различию между автомобилями с двигателем внутреннего сгорания и электромобилями, каждое из этих направлений имеет свою область применения и уникальный технический подход. Сегодня мы разберем различия между ними и выясним, какой вариант стоит выбрать.

Для начала — краткое пояснение: что такое «активная среда»?

Основа любого лазера — это активная среда, компонент, отвечающий за усиление света. Источник накачки подает энергию, которую активная среда использует для усиления светового излучения.

В твердотельном фемтосекундном лазере активной средой служит твердый кристалл (например, Ti:Sapphire, Yb:YAG или Yb:KGW), выполненный в форме диска или блока и размещенный в оптическом тракте. При многократном прохождении света через кристалл внутри оптического резонатора происходит его усиление.

В волоконном фемтосекундном лазере активной средой выступает специализированное оптическое волокно, сердцевина которого легирована редкоземельными элементами (например, иттербием [Yb] или эрбием [Er]).

Свет, распространяясь по сердцевине волокна, усиливается при каждом прохождении через участок, содержащий редкоземельные элементы.

В одном случае это «блок», в другом — «нить». Однако именно это различие определяет совершенно разные технические пути и сценарии применения.

Твердотельные фемтосекундные лазеры: признанная классика и глубокая экспертиза

Твердотельные фемтосекундные лазеры — это «старшие братья» в данной области. После появления в конце 1980-х годов метода усиления чирпированных импульсов (CPA) технология Ti:Sapphire-лазеров активно развивалась на протяжении 1990-х годов. По сей день Ti:Sapphire остается «золотым стандартом» в научных исследованиях.

Главное преимущество твердотельных фемтосекундных лазеров — высокая энергия импульсов. Благодаря большому объему твердотельного кристалла в нем можно запасать значительное количество энергии, что позволяет легко достигать энергии одиночного импульса на уровне миллиджоулей и выше. Логика проста: поскольку кристалл обладает внушительными размерами, диаметр лазерного пучка может составлять несколько миллиметров или даже превышать сантиметр. При распределении энергии по столь широкому пучку плотность мощности остается низкой, что предотвращает повреждение оптических компонентов. Вторым важным преимуществом твердотельных фемтосекундных лазеров является широкий диапазон перестройки длины волны. Разные кристаллы излучают на разных длинах волн; в частности, сапфир, легированный титаном (Ti:сапфир), отличается особой универсальностью, позволяя перестраивать длину волны в диапазоне от 650 до 1100 нм — охватывая практически весь ближний инфракрасный спектр. Для исследователей, проводящих спектроскопические эксперименты, переход, скажем, с 750 нм на 900 нм — задача, решаемая простым изменением угла наклона кристалла.

Способность генерировать сверхкороткие импульсы — отличительная черта твердотельных фемтосекундных лазеров. Передовые Ti:сапфировые лазеры способны создавать импульсы длительностью всего в несколько фемтосекунд, приближаясь к пределу одного светового колебания. Такие области, как генерация высших гармоник и аттосекундная физика, опираются исключительно на лазеры этого типа.

Почему твердотельные системы позволяют получать столь короткие импульсы? Потому что дисперсией в оптическом тракте, проходящем в свободном пространстве, можно эффективно управлять. Дисперсию второго порядка можно компенсировать с помощью пар дифракционных решеток, дисперсию третьего порядка — призмами, а дисперсию более высоких порядков — чирпированными зеркалами, что обеспечивает точную, послойную коррекцию. Кроме того, оптический путь в свободном пространстве относительно невелик — длина всего резонатора обычно составляет всего один-два метра, — благодаря чему накопленная дисперсия остается в пределах, поддающихся контролю.

Тем не менее, у твердотельных фемтосекундных лазеров есть и явные недостатки.

Они громоздки. Зеркала, линзы, кристаллы и дифракционные решетки должны быть размещены на оптическом столе. С учетом дополнительных компонентов, необходимых для создания систем растяжения, усиления и сжатия импульсов, вся установка может легко занять целый стол. В целом такая система отличается большими габаритами и значительным весом, напоминая по размеру небольшой шкаф.

Они требуют водяного охлаждения. Высокая выходная мощность сопровождается выделением большого количества тепла; При подаче излучения накачки лишь его часть преобразуется в лазерный свет, в то время как значительная доля энергии рассеивается в виде тепла. Без системы водяного охлаждения, отводящей это тепло, кристалл подвергается термической деформации, что приводит к изменению показателя преломления и нарушению оптического пути. Более того, фемтосекундные лазеры чрезвычайно чувствительны к температуре: изменение всего на 0,1 °C может привести к смещению длины резонатора и дестабилизации режима синхронизации мод.

Они также чувствительны к вибрациям. Поскольку оптический тракт является открытым, даже легкий толчок стола может вызвать расъюстировку зеркал и искажение импульсов. В связи с этим такие системы должны устанавливаться на оптические столы с виброизоляцией. Длина когерентности фемтосекундного импульса составляет всего несколько десятков микрометров. Смещение любого оптического элемента даже на несколько микрометров приводит к изменению длины оптического пути на величину, кратную нескольким длинам волн, что нарушает фазовые соотношения и полностью разрушает режим синхронизации мод.

Такие лазеры отличаются высокой стоимостью. Качественный кристалл сапфира, легированного титаном (Ti:sapphire), может стоить более 100 000 юаней, а система сжатия импульсов на основе дифракционных решеток — десятки тысяч; нередко стоимость всей системы достигает сотен тысяч или даже миллионов юаней.

Волоконные фемтосекундные лазеры: современный подход — компактность и гибкость.

Волоконные фемтосекундные лазеры появились позже: исследования начались в конце 1990-х годов, а коммерциализация стала возможной лишь после того, как в 2000-х годах достигли зрелости технологии волоконно-оптической связи.

С чем связана такая задержка? Дело было не в недостатке идей, а в технической невозможности реализации. У первых оптических волокон диаметр сердцевины был небольшим, а свет проходил по ним на расстояния в десятки метров.

Две основные проблемы оказались непреодолимыми: во-первых, плотность мощности была настолько высока, что волокна легко повреждались; во-вторых, возникали нелинейные эффекты — такие как самофазовая модуляция, перекрестная фазовая модуляция и вынужденное комбинационное рассеяние, — которые сильно искажали импульсы. Как бы хорошо ни была настроена синхронизация мод, после прохождения через волокно импульс неизбежно деформировался. Решить эти проблемы удалось лишь с появлением оптических волокон с большой площадью моды и фотонно-кристаллических волокон. Кроме того, развитие индустрии волоконно-оптической связи способствовало созданию развитой цепочки поставок — включая оптические волокна, разъемы, источники накачки и модуляторы, — компоненты которых производятся в промышленных масштабах. По мере снижения стоимости волоконные фемтосекундные лазеры смогли перейти из лабораторных условий в сферу промышленного применения.

Компактность — главное преимущество волоконных фемтосекундных лазеров. Благодаря полностью волоконной архитектуре весь оптический тракт заключен внутри волокон, что исключает необходимость использования зеркал или линз. Вся система помещается в небольшой корпус — она гораздо компактнее твердотельных фемтосекундных лазеров. Длинные тонкие оптические волокна можно просто свернуть в бухту и разместить внутри устройства.

Вторым важным преимуществом является отсутствие необходимости в техническом обслуживании. Поскольку волокна герметичны, а оптический тракт зафиксирован, нет нужды в юстировке зеркал или калибровке оптического пути. Все соединения выполняются методом сварки (а не с помощью винтовых креплений), что исключает риск их ослабления, смещения или нарушения юстировки. Такие лазеры готовы к работе сразу после включения и не требуют специальных процедур при выключении.

Третье существенное преимущество — устойчивость к вибрациям. Оптический тракт находится внутри сердцевины волокна диаметром всего в несколько микрон, поэтому свет продолжает распространяться без искажений, даже если корпус подвергается внешним воздействиям. Если в твердотельном фемтосекундном лазере смещение зеркал всего на несколько микрон делает его непригодным для работы, то волоконный лазер продолжает функционировать даже при тряске корпуса. Это делает его идеальным решением для использования на производственных линиях.

Четвертое важное преимущество — экономическая эффективность. При одинаковом уровне мощности волоконные фемтосекундные лазеры значительно дешевле своих твердотельных аналогов. Поскольку волоконно-оптические компоненты — это зрелые технологии, пришедшие из сферы телекоммуникаций, они опираются на отлаженную цепочку поставок, что позволяет поддерживать низкий уровень затрат.

Тем не менее, у волоконных фемтосекундных лазеров есть и существенные недостатки.

Они не позволяют достичь высокой энергии импульса. Стандартное одномодовое оптическое волокно имеет диаметр сердцевины всего 9–10 микрон, что приводит к чрезвычайно высокой плотности мощности. При попытке увеличить энергию излучения торцевая поверхность волокна неизбежно сгорит: порог повреждения ограничен, и избыточная энергия попросту разрушит материал.

Почему нельзя увеличить диаметр сердцевины? Это привело бы к нарушению одномодового режима работы. Качество пучка на выходе из многомодового волокна оказывается низким — коэффициент $M^2$ составляет 2, 3 или даже больше. Кроме того, различные оптические моды распространяются с неодинаковыми скоростями, что вызывает уширение импульса. Даже при идеальной синхронизации мод импульс утрачивает свою целостность после прохождения через отрезок многомодового волокна.

В результате энергия одиночного импульса в стандартных волоконных фемтосекундных лазерах обычно варьируется в диапазоне от наноджоулей до микроджоулей — это примерно в тысячу раз меньше, чем энергия порядка миллиджоулей, достижимая в твердотельных фемтосекундных лазерах.

Длительность импульса также невозможно сократить до экстремально малых значений. Дисперсия и нелинейные эффекты в волокне настолько интенсивны, что получение импульса длительностью около 100 фемтосекунд — уже весьма хороший результат, а достичь значений менее 50 фемтосекунд крайне сложно. При прохождении через десятки метров волокна свет накапливает значительную дисперсию; в сочетании с нелинейными эффектами, такими как самофазовая модуляция, это приводит к сильному искажению импульса, из-за чего сжать его обратно до сверхкороткой длительности становится практически невозможно.

Длина волны излучения фиксирована. Волокна, легированные иттербием, обычно излучают на длине волны 1030 нм, а легированные эрбием — на 1550 нм. Хотите перестроить лазер на 800 нм? Это крайне непростая задача. Потребуется добавление дополнительных каскадов — например, использование эрбиевого волокна в сочетании с удвоением частоты для получения 780 нм, — что увеличивает как стоимость, так и габариты установки. Более того, полоса излучения оптического волокна ограничена, в отличие от лазеров на сапфире, легированном титаном (Ti:sapphire), которые позволяют перестраивать длину волны в диапазоне нескольких сотен нанометров.