Как можно определить длину волны для лазера, в котором расстояние, проходимое фотоном за длительность импульса, меньше длины волны?

Question

Как можно определить длину волны для лазера, в котором расстояние, проходимое фотоном за длительность импульса, меньше длины волны?

ГранБулло

Фемтосекундные лазерные импульсы широко используются в экспериментальной физике. Фемтосекундные лазеры, такие как системы Nd:YAG, излучают когерентный свет с длиной волны 1053 нм. Расстояние, пройденное фотоном за 1 фс, равно 300 нм; это означает, что одиночный импульс может быть слишком коротким по отношению к длине волны. Таким образом, я думаю, невозможно определить одну спектральную линию для света, излучаемого лазером.

Итак, что же имеется в виду, когда мы говорим о длинах волн для фемтосекундных лазерных импульсов?

пользователь

Привет, Гран Булло. Я предложил отредактировать ваш пост, чтобы дать ему, надеюсь, более описательное название. Если вы чувствуете, что редактирование меняет ваши намерения, не стесняйтесь отклонять его или редактировать дальше. Пожалуйста, постарайтесь, чтобы заголовок вопроса был точной краткой формой вашего фактического вопроса, позволяя любым потенциальным ответчикам с первого взгляда понять, о чем вопрос; но, во что бы то ни стало, не стесняйтесь уточнять сам вопрос. (Вопрос, который полностью соответствует заголовку, редко является хорошим вопросом по нашим стандартам.)

Филип

Совсем не эксперт, но действительно ли фемтосекундные лазеры имеют длительность импульса 1 фс? Я помню, что слышал, что это было больше похоже на 10 фс или около того? Этот сайт, кажется, утверждает, что самые короткие импульсы составляют около 5 фс, и в этом случае у вас будет как минимум одна длина волны. Я серьезно сомневаюсь, что можно было бы создать импульс длительностью менее одной длины волны.

КабаТ

Существуют так называемые «малопериодные импульсы», в которых длительность импульса близка к одному циклу электрического поля. Для 800 нм это около 2,7 фс. Вы также можете сделать импульс с более короткими длинами волн, и рекорд теперь составляет 43 ас. Также люди заявляют о создании субцикловых импульсов, но в основном это называется так, как определение количества циклов в импульсе отсчитывается в диапазоне FWHM импульса. Таким образом, у вас может быть импульс, у которого большая часть энергии приходится на полупериод, а остальная часть — на полупериоды по бокам, с меньшей энергией.

Ответы (3)

Как можно определить длину волны для лазера, в котором расстояние, проходимое фотоном за длительность импульса, меньше длины волны?

Привет, Гран Булло. Я предложил отредактировать ваш пост, чтобы дать ему, надеюсь, более описательное название. Если вы чувствуете, что редактирование меняет ваши намерения, не стесняйтесь отклонять его или редактировать дальше. Пожалуйста, постарайтесь, чтобы заголовок вопроса был точной краткой формой вашего фактического вопроса, позволяя любым потенциальным ответчикам с первого взгляда понять, о чем вопрос; но, во что бы то ни стало, не стесняйтесь уточнять сам вопрос. (Вопрос, который полностью соответствует заголовку, редко является хорошим вопросом по нашим стандартам.)
Совсем не эксперт, но действительно ли фемтосекундные лазеры имеют длительность импульса 1 фс? Я помню, что слышал, что это было больше похоже на 10 фс или около того? Этот сайт, кажется, утверждает, что самые короткие импульсы составляют около 5 фс, и в этом случае у вас будет как минимум одна длина волны. Я серьезно сомневаюсь, что можно было бы создать импульс длительностью менее одной длины волны.
Существуют так называемые «малопериодные импульсы», в которых длительность импульса близка к одному циклу электрического поля. Для 800 нм это около 2,7 фс. Вы также можете сделать импульс с более короткими длинами волн, и рекорд теперь составляет 43 ас. Также люди заявляют о создании субцикловых импульсов, но в основном это называется так, как определение количества циклов в импульсе отсчитывается в диапазоне FWHM импульса. Таким образом, у вас может быть импульс, у которого большая часть энергии приходится на полупериод, а остальная часть — на полупериоды по бокам, с меньшей энергией.

Эмилио Писанти · Answer 1

Здесь важно помнить о принципе неопределенности в его бесспорной частотно-временной форме.

Δ т Δ ю ≳ 1,

$\Delta t\: \Delta \omega\gtrsim 1,$ где

Δ t

$\Delta t$ - длительность импульса, а

Δ ω

$\Delta \omega$ – ширина полосы импульса, т. е. ширина его спектрального распределения. Для коротких импульсов это требует, чтобы спектральное распределение было соответственно широким, и если ширина импульса меньше, чем период центральной длины волны, то это обычно означает, что полоса пропускания

Δ ω

$\Delta \omega$ порядка или больше центральной частоты

ω_{0}

$\omega_0$ . Однако это не мешает импульсу иметь такую центральную частоту.

Гораздо проще, если вы представите это в явной математической форме с гауссовой огибающей: во временной области у вас есть огибающая, умножающая некоторое колебание несущей на некоторую фазу несущей огибающей. $\varphi_\mathrm{CE}$ ,

Е (т) "=" Е_{0} е^{- \frac{1}{2} т^{2} / т^{2}} потому что (ю_{0} т + ф_{С Е})

$E(t) = E_0 e^{-\frac12 t^2/\tau^2} \cos(\omega_0 t+\varphi_\mathrm{CE})$ а затем тривиально преобразовать его Фурье в частотную область, где вы получите два гауссиана с центром в

\pm ω_{0}

$\pm \omega_0$ :

\tilde{Е} (ю) "=" \frac{1}{2} т Е_{0} [е^{+ я ф_{С Е}} е^{- \frac{1}{2} т^{2} (ю + ю_{0})^{2}} + е^{- я ф_{С Е}} е^{- \frac{1}{2} т^{2} (ю - ю_{0})^{2}}] .

$\tilde E(\omega) = \frac{1}{2} \tau E_0\left[ e^{+i \varphi_\mathrm{CE} } e^{-\frac{1}{2} \tau ^2 (\omega +\omega_0)^2} + e^{-i \varphi_\mathrm{CE} } e^{-\frac{1}{2} \tau ^2 (\omega -\omega_0)^2} \right] .$ Итак, как это выглядит? Что ж, вот один пример с фазой огибающей несущей, установленной на ноль, того, как спектр расширяется при уменьшении длины импульса во временной области,

но нужно поиграть с тем, как различные параметры (и особенно фаза несущей-огибающей) $\varphi_\mathrm{CE}$ ) влияют как на форму импульса во временной области, так и на его спектр мощности. Как видите, когда длина импульса меньше периода несущей, роль несущей значительно теряет свое значение, но все же может быть важной частью описания импульса.

Однако в реальном мире импульсы гораздо сложнее, чем просто ширина и фаза огибающей несущей, и если вы действительно находитесь в режиме нескольких циклов с реальными импульсами, вам нужно беспокоиться о гораздо большем, чем просто импульс. ширина и вся форма импульса вступают в игру ─ часто с существенным звоном в пред- и послеимпульсных колебаниях. Когда вы на самом деле переходите к импульсам длительностью в несколько фемтосекунд, состояние искусства того, насколько короткими и чистыми (и хорошо охарактеризованными) вы можете получить импульсы, выглядит примерно так:

(из Synthesized Light Transients, A. Wirth et al., Science 334 , 195 (2011) ; это реальные измеренные, а затем выведенные данные формы импульса, как описано здесь ).

Как упоминалось в комментариях, когда люди в литературе говорят о сверхбыстрых фемтосекундных импульсах, они имеют длину не одну фемтосекунду, а немного больше: они, как правило, поддерживаются 800-нм лазерной системой Ti:Sa, период которой составляет около 2,6 фс. , а Full-Width at Half-Max длины импульсов могут доходить до 5 фс и, при больших усилиях, до однотактного режима. Математически возможно производить более короткие импульсы (с учетом правила нулевой площади ), но для фемтосекундных лазерных систем это обычно ограничивается усилителем Ti:Sa , полоса пропускания которогосоставляет около одной октавы (что позволяет перейти к длине импульса порядка периода несущей, но не меньше), но затем он останавливается. Вы можете расширить разрез за счет генерации суперконтинуума в волокне, и вам придется упорно бороться за каждую небольшую дополнительную полосу пропускания.

Если бы вы хотели иметь более короткий импульс на той же несущей частоте, вам нужно было бы точно определить, какой спектр вам нужен (который для импульсов короче периода несущей будет простираться от близкого к нулю до многократного $\omega_0$ ), а затем найти генератор и усилитель с такой полосой пропускания. Тогда вам все равно нужно будет сжимать и формировать импульсы, а также контролировать фазу ваших импульсов, но без полосы пропускания это математически невозможно.

Возможны и более короткие импульсы ─ запись, я думаю, в настоящее время составляет около 150 аттосекунд или около того ─ но они поддерживаются гораздо более высокими несущими частотами в XUV-диапазоне, обычно создаваемыми посредством генерации гармоник высокого порядка, и обычно они имеют длину много циклов, так что они не подпадают под проблемы, поднятые вашим вопросом.

Павел · Answer 2

Есть два взгляда на такого рода явления; во временной области или в частотной области. Фемтосекундный импульс во временной области соответствует широкому диапазону частот в частотной области. Действительно, именно так создаются фемтосекундные импульсы, объединяя вместе множество мод резонатора, которые имеют немного разные частоты (и, следовательно, длину волны). Вы все еще можете ссылаться на центральную или доминирующую частотную составляющую, из которой состоит короткий лазерный импульс, но сам импульс ни в коем случае не является монохроматическим. Предел длительности импульса может быть преобразован в длину оптического пути этой центральной длины волны и обычно составляет около двух оптических циклов. Можно обратиться к длине волны или частоте фемтосекундного импульса, но следует иметь в виду, что он содержит большое количество частотных (длинноволновых) составляющих (часто охватывающих октаву).

Джеффри Эде · Answer 3

Лазерный свет создается вынужденным излучением: когда электрон, накачанный до высокого энергетического уровня, девозбуждается до более низкого энергетического уровня. Разность энергий - это энергия света, которая связана с его длиной волны соотношением E = hc/ $\lambda$ . Этот квант энергии вырабатывается, как только возбужденный атом девозбуждается и излучает. Неважно, как далеко он пролетел: как только он излучается, он имеет энергию и, следовательно, длину волны.

Подумайте о том, что такое длина волны на самом деле: это расстояние, которое проходит электромагнитная волна, пока компоненты электрического (и магнитного) поля, перпендикулярные направлению ее движения, совершают одно колебание. Поскольку он движется со скоростью c, это просто мера времени колебаний = $\lambda$ /с. Поля существуют, как только он начинает колебаться; волне не нужно проходить какое-то расстояние, прежде чем будет определена ее длина волны. Длина волны просто описывает, сколько времени понадобится полям, чтобы колебаться.

Как можно определить длину волны для лазера, в котором расстояние, проходимое фотоном за длительность импульса, меньше длины волны?

ГранБулло

пользователь

Филип

КабаТ

Ответы (3)

Эмилио Писанти

Павел

Джеффри Эде

Какие металлы подходят для изготовления конструкций в гигагерцовом и терагерцовом диапазонах?

Почему в эксперименте с двумя щелями всегда есть яркая полоса под нулевым углом?

Возможен ли резонанс электромагнитных волн?

Может ли пространственно когерентный источник света быть монохроматическим, но не когерентным во времени?

Как работают лазерные дальномеры, когда поверхность объекта не перпендикулярна лазерному лучу?

Какова амплитуда электрического поля в лазере?

Как измерить небольшое изменение угла поляризации светового луча? Какой наименьший измеримый угол?

Преломление затухающей волны

Каковы хорошие непараксиальные решения уравнения Гельмгольца, подобные гауссову пучку?

Увеличивает или уменьшает апертуру лазерного луча наименьшая точка, на которую он может быть сфокусирован?