Сжатие фемтосекундных импульсов и компенсация дисперсии

Компания APE специализируется на разработке и производстве инструментов для регистрации, измерения и управления параметрами коротких оптических импульсов, а также сопутствующего оборудования и программного обеспечения.

Компания предлагает решение femtoControl для компенсации дисперсии и сжатия импульсов, которое находят свое применение в микроскопии с многофотонным возбуждением.

Компенсация дисперсии

Лазерные импульсы со сверхкороткой длительность менее 10 пс «расплываются» при распространении в диспергирующей линейной среде, например при прохождении через линзы, кристаллы и окна. Разные частотные компоненты лазерного импульса проходят разные пути в среде, в результате лазерный импульс уширяется и приобретает фазовую модуляцию. Для устранения дисперсии при работе с фемтосекундными лазерами в компании APE разработаны эффективный инструмент под названием femtoControl.

Физически, размывание лазерного импульса можно объяснить разной групповой скоростью распространения различных спектральных компонент импульса. Так, например, в случае аномальной дисперсии длинноволновая (красная) спектральная компонента импульса распространяется с большей скоростью, чем коротковолновая компонента. Когда импульс покидает среду, эта временная задержка (положительный чирп) остается постоянной. В среде с нормальной дисперсией частотное заполнение инвертируется. Нормальная дисперсия создается угловой дисперсией призм или оптических решеток.

Компенсируя аномальную дисперсию соответствующей нормальной дисперсией, можно добиться первоначальной длительности импульса. Данный метод лежит в основе действия прибора femtoControl.

Применение

Компенсация дисперсии и сжатие импульсов необходимы, когда сверхкороткие импульсы проходят через большое количество оптических компонент, например в микроскопии многофотонного возбуждения (MPE). Например, аномальная групповая дисперсия скорости в микроскопии MPE, имеющая величину 13000 фс², вызывает уширение импульса длиной 100 фс до 370 фс на длине волны 800 нм. Сечение многофотонного поглощения зависит от ширины импульса. Высокая величина дисперсии приводит к временному уширению импульса, что служит препятствием измерениям.

Компенсация дисперсии путем сжатия импульсов с помощью моторизованного позиционирования оптических призм генерирует нормальную угловую дисперсию, которая затем компенсирует аномальную групповую скорость дисперсии. Следовательно, импульс показывает свою первоначальную длительность 100 фс в месте расположения образца. Преимущества компенсации дисперсии для MPE-микроскопии основаны на том факте, что измеряемый сигнал (флуоресценция) становится сильнее с более короткими импульсами. Повышенная флуоресценция улучшает отношение «сигнал-шум». Срок службы зонда зависит от средней мощности, приложенной к зонду при формировании изображения. Средняя мощность, необходимая для генерации соответствующего количества фотонов флуоресценции, меньше с более короткими импульсами, чем с длинными. В результате срок службы образца увеличивается.

Сжатие импульсов

В основе компрессора импульсов (устройства для сжатия лазерных импульсов) лежат либо две пары призм, либо две решетки.

Компрессор на базе призм более универсальным инструментом: он позволяет компенсировать как нормальную, так и аномальную дисперсию.

Компенсатор дисперсии на базе призм обычно в микроскопии применяется для импульсов шириной от 80 до 150 фс, имеющих уширение до 700 фс. Количественно дисперсия зависит от расстояния между призмами и материалом приз: чем больше расстояние, тем выше дисперсия (при постоянной длине волны) и чем выше коэффициент отражения материала призм, тем выше угловая дисперсия. Поэтому для получения максимально возможной угловой дисперсии при сохранении компактности устройства, необходимо выбрать соответствующий материал призмы.

Призма 1 расщепляет полихроматический свет лазерного импульса на составляющие, которые распространяются под разным углом. После того, как импульс прошел призму 2, он все еще спектрально разделен, но спектральные составляющие распространяются параллельно друг другу. Установка призм 3 и 4, симметричных призмам 1 и 2, обеспечивают обратное спектральное расщепление луча.

Нормальная дисперсия зависит исключительно от расстояния между двумя призмами. Длина пути в призме 2 является критической для разности длин оптического пути. Перемещение призм под прямым углом к ​​направлению луча изменяет толщину материала для всех длин волн в одинаковой степени; это похоже на размещение прямоугольного стеклянного блока на пути луча. Таким образом, смещение призм изменяет величину аномальной дисперсии.

В общем, для управления компенсацией дисперсии расстояние между призмами должно изменяться, а также должна изменяться длина пути луча внутри призм.

Величина дисперсии составляется из фиксированной величины нормальной дисперсии и аномальной дисперсии, изменяющейся в соответствии с положением призмы. При этом не имеет значения, какая из призм 1 и 2 перемещается. Максимальная нормальная дисперсия достигается, когда луч проходит в области вершины, тогда как максимальная аномальная дисперсия достигается, когда свет проходит через основание. Таким образом, также гарантируются высокая степень удобства для пользователя и стабильность наведения луча.

Кроме того, в линейке компании APE имеются следующие инструменты для работы со сверхкороткими импульсами:

• Автокорреляторы серии pulseCheck. Универсальный инструмент для измерения ширины импульса разных фемто- и пикосекундных лазерных систем, обладающий возможностью измерения в широком спектральном диапазоне.

• Компактные автокорреляторы серии Mini. Компактный инструмент для измерения ширины импульса фемто- и пикосекундных лазерных систем, обладающий возможностью измерения с высокой чувствительностью.

• Автокорреляторы для микроскопии Carpe. Позволяют измерять ширину импульса как в месте нахождения образца, так и на выходе микроскопа.

• Спектрометры серии waveScan. Предназначены для работы в ближней УФ и ИК области спектра. Высокое разрешение по сравнению со стандартными спектрометрами и быстрое время отклика делают его идеальным инструментом для юстировки.

• Системы для анализа сверхкоротких импульсов Spider. Точный инструмент для измерения спектральных и временных характеристик сверхкоротких лазерных импульсов длительностью до 5 фс и шириной спектра.

• Индикаторы пиковой мощности peakDetect. Инструмент для точного мониторинга характеристик сверхкоротких импульсов в ближнем ИК диапазоне.

Компания «Специальные Системы. Фотоника» является официальным дистрибьютором APE. Специалисты нашей компании будут рады предоставить Вам любую дополнительную информацию о продукции APE и подобрать оптимальный инструмент для Вашей задачи. Для оформления заказа и уточнения условий поставки оборудования свяжитесь с нашими специалистами любым удобным для Вас способом.