Учёные нашли элегантный способ измерения сверхкоротких лазерных импульсов

Сверхкороткие лазерные импульсы, длящиеся менее одной миллионной от миллионной доли секунды, произвели революцию в фундаментальной науке, инженерии и медицине. Однако их невероятно малая длительность до сих пор делала их неуловимыми и сложными для измерения.

Лабораторная установка для нового метода. Автор: Университет Лунда

Около 10 лет назад исследователи из Университета Лунда и Университета Порту представили инструмент для измерения длительности импульсов сверхбыстрых лазеров. Теперь та же команда совершила прорыв, который позволяет измерять отдельные лазерные импульсы в более широком диапазоне параметров и с использованием более компактной установки.

«Стандартные измерения для фемтосекундных лазеров, обычно используемых в промышленности и медицине, дают лишь приблизительную оценку длительности импульса. Наш подход обеспечивает более полное измерение и может способствовать раскрытию всего потенциала сверхбыстрой лазерной технологии», — говорит Даниэль Диас Ривас, аспирант кафедры атомной физики Университета Лунда.

Концепция фемтосекундных импульсов сложна для понимания большинством из нас. Тем не менее, они используются в самых разных повседневных приложениях — от хирургии глаза до микрообработки в промышленности. Сверхкороткие лазерные импульсы могут даже исследовать самые быстрые процессы в природе, такие как перенос энергии при фотосинтезе и динамика электронов.

Несмотря на всё более широкое применение, точное измерение формы и длительности импульсов остаётся сложной задачей. Электронные приборы слишком медленные, поэтому исследователи обратились к оптическим методам.

Ограничения текущих методов

Однако такие оптические методы обычно требуют множественных измерений в режиме сканирования. Это делает их непригодными для захвата отдельных импульсов в реальном времени.

Появились «однокадровые» версии для характеристики очень коротких импульсов, обычно используемых в фундаментальной науке, но они плохо справляются с более длинными импульсами, которые чаще применяются в промышленности и медицине. Ограничения связаны со сложностью достаточного растяжения импульсов в рамках компактной оптической установки.

Появление элегантного решения

Исследователи из Университета Лунда разработали компактный и элегантный способ растяжения сверхбыстрых лазерных импульсов с использованием простого оптического принципа. Исследование опубликовано в журнале Optica.

Пропуская импульсный лазерный луч через дифракционную решётку — компонент, который пространственно разделяет свет на цвета — и формируя изображение этой решётки с помощью комбинации линз, они могут точно контролировать длительность импульса по всему лазерному лучу.

Этот подход позволяет увеличить длительность фемтосекундных импульсов более чем в десять раз в рамках компактной оптической установки. Это делает возможной полную характеристику импульса за один «кадр», без необходимости использования предварительных компенсирующих оптических элементов. Результатом работы стала универсальная методика, которая может работать с длительностями импульсов от нескольких фемтосекунд до сотен, охватывая научные, промышленные и медицинские применения. Это открывает дверь для мониторинга отдельных импульсов в реальном времени, что ранее было недоступно для многих лазерных платформ.

Взгляд в будущее

Помимо характеристики импульсов, этот оптический принцип можно применять для формирования пространственно-временных свойств световых импульсов и исследования различных способов изучения взаимодействия света с веществом.

«Поскольку сверхбыстрые лазеры продолжают двигать инновации в науке и технологиях, такие инструменты будут ключевыми для расширения границ точности и понимания», — заключает Корд Арнольд, старший преподаватель атомной физики Университета Лунда.

Больше информации: Daniel Díaz Rivas et al, Spatially dependent group delay dispersion from a diffraction grating and its application to the single-shot d-scan technique, Optica (2025). DOI: 10.1364/optica.572768

Источник: Lund University