Метки

, , , , , ,

Давненько не было ничего, посвященного физике и занятиям нашей кафедры Квантовой радиофизики в частности 🙂 Это упущение сейчас будем исправлять.

Лазеры давно проникли практически во все сферы деятельности человека. Они используются как средства контроля при анализе голограмм, высокоточные инструменты обработки металлов и для гравировки. Набор лазеров находится в каждом DVD-приводе для чтения и записи информации на компакт-диски различной мощности и пара десятков уникальных решений лазерных систем на стороне интернет-провайдера в данный момент обеспечивает чтение этой странички.

Типов лазеров существует великое множество. Сейчас же пойдет речь о лазере фемтосекундных импульсов, используемом, в частности, для анализа химических соединений и поведения вещества при воздействии импульсами повышенной мощности. В эту среду на кафедре нам организовали экскурсию в Институт физики познакомиться с ним на практике. Фотографии подготовлены мной вместе с товарищем и коллегой по науке Антоном (увеличение фотографии по клику). Сначала будет рассказано немного теории в более-менее популярном изложении, а потом много фот и лирики с места событий.

Немного теории…

… вообще

Исследование вещества с помощью лазера сверхкоротких импульсов иделогически достаточно простое. Очень мощный лазерный импульс, запущенный, например, в газ, будет возбуждать молекулы исследуемой среды. Второй импульс, подобный первому и запущенный в еще не успевшую «придти в себя», будет рассеиваться совершенно иначе, чем первый. Исследование этой разницы в рассеянии (изменение спектра, угловое распределение спектра и интенсивности рассеяного импульса света) дает ценную информацию о молекулярном строении газа и его реакции на сверхмощное излучение.

Фемтосекундой называют невообразимо малый промежуток времени, равный 10-15 секунды. За такой отрезок времени даже свет успеет проти менее одной тысячной миллиметра. Физика сверхкоротких времен содержит множество интересных явлений. Как известно, мощность — это отношение количества энергии ко времени, за которое она продуцируется. Чем короче время — тем мощность больше. Лазер из Института физики НАН Украины (на самом деле это комплекс приборов, занимающий небольшую комнату сверху до низу заполненную приборами) настроен на генерацию импульсов длительностью 150 фемтосекунд и позволяет получить пиковую  мощность импульса примерно в 1 гигаватт (для сравнения, все блоки Трипольской ТЭС имеют суммарную мощность 3,2 гигаватта, но одновременно никогда не бывают запущенны).

Длительность и частота следования импульсов обычно подбираются исходя из имеющейся техники и поставленной задачи. Чем короче импульс, тем его частотный спектр шире. При длительностях импульсов меньше 150 фемтосекунд оптические системы с ними уже не справятся, внося существенные искажения из-за различного показателя преломления света для различных частот и это неудобно технически, а длительности большей длительности не очень интересны, так как падает мощность.

Важной характеристикой любого излучения является ширина спектра (еще говорят, ширина линии). Если у нас есть лазерный луч, то максимум интенсивности будет на определенной «центральной» частоте \omega_0 оптического диапазона (от инфракрасного до ультрафиолетового). На частотах, близких к центральной, интенсивность будет ненулевой, однако чем дальше от центральной, тем слабее она будет. Разница частот \Delta \omega, соответствующих половине интенсивности центральной частоты называется полушириной линии. Вообще, \Delta \omega на много порядков меньше \omega_0, однако на практике за её значением очень внимательно следят, так как для разных задач может понадобиться её сравнительно большое или малое значение.

… и про лазеры

Лазер так же гениален в своей простоте. Предположим, у нас есть газ (его называют активной средой), молекулы которого могут находиться в двух состояниях: основном и возбужденном. Фраза «возбужденное состояние» означает, что внутреннее состояние молекулы изменено. Например, электроны, получив дополнительную энергию, перешли на другие орбитали. Между энергией, необходимой для приведения газа в возбужденное состояние, и длиной волны света (точнее его частотой), который может это сделать есть простое соотношение

E = \hbar \omega,

где \hbar — постоянная Планка, \omega — собственно, частота. Пусть, для простоты, нужная частота соответствует зеленому цвету. Если мы посветим достаточно мощной белой лампой в активную среду (а белый цвет содержит все частоты видимого диапазона), то там будет и частота нужного энергетического перехода. Оказывается, если в то время, как молекулы активной среды будут возбуждены, откуда-то возьмется еще один слабенький лучик с нужной частотой, все молекулы разом перейдут в основное состояние излучив избыток энергии в направлении этого лучика и испущенные лучи (фотоны) будут обладать абсолютно одинаковыми волновыми характеристиками (а именно фазой и частотой). Последнее очень важно для практического применения, так как для обычных источников это не так. Но надо отметить, что одинаковость частоты лежит в пределах ширины линии, обсуждавшейся выше. Однако различными методами, сложными и не очень, ширину линии можно очень сильно уменьшать и проблемы этот факт не представляет.

Фемтосекундный лазер

Институт физики находится в квартале послевоенной застройки примерно 50-х годов: территория института — парк, а корпуса, внешне несколько обветшалые, но сохранившие черты эпохи и определенный шарм.

Институт физики НАН Украины, главный корпус

Это классический храм науки:

Свод холла главного корпуса

Лаборатория фемтосекундных лазеров занимает значительную часть крыла корпуса, включая кабинеты сотрудников и непосредственно лабораторию, где установлено лазерное и сопутствующее оборудование. Комплекс состоит из нескольких лазеров: задающего генератора и усилителей. Непосредственно фемтосекундную длительность получить нельзя, импульсы пикосекундного (10-12 секунды) неодимового лазера специальными методами сжимаются по длительности и усиливаются для практического применения. Все это требует достаточно сложной системы охлаждения и температурного контроля: лаборатория никогда полностью не обесточивается поддерживая температуру особо важных элементов, изменение условий «существования» которых может привести к полному выходу из строя всей системы.

Общий вид

Лазерная система расположена на так называемом оптическом столе: массивном столе, покоящемся на специальных демпферах, поглощающих малейшие колебания, иначе чувствительная техника будет реагировать на шаги сотрудников в соседнем корпусе. На фотографии ниже на первом плане находится дополнительный стол для оборудования, а за ним стойка с лазерным комплексом в прозрачном коробе с крышками для доступа к оборудованию внутри. Над ним системы контроля и подачи энергии.

Стойка с лазером и системами накачки и управления

Воздух в комнате фильтруется и поддерживается постоянная температура 18°C.  Лазерный комплекс заключен дополнительно в прозрачный короб для защиты от пыли. Там же помещены фильтры для защиты от электростатических зарядов:

Защита от электростатики

Подобные меры необходимы из-за высокой мощности луча: воздушная пыль в нем мгновенно сгорает, что плохо не только с точки зрения техники безопасности, но и будет помехой для экспериментов. Для проведения низкотемпературных экспериментов (вплоть до 1,7 К выше абсолютного нуля) есть отдельные системы. Азот, как правило, носят в сосудах Дьюара и он испаряется в атмосферу, охлаждая исследуемые объекты, а вот гелий слишком дорогой. Поэтому есть специальная система сбора паров гелия для отвода обратно в криогенную лабораторию:

Та же система в «фас»

Часть системы сбора паров гелия

Инструменты 😀

Лазерная система

Общий принцип работы установки следующий. Есть задающий генератор — лазер, выдающий достаточно короткие импульсы без особых ухищрений, в данном случае неодимовый лазер с длиной волны генерации 1,06 мкм (инфракрасное излучение), из которого путем удвоения частоты (эффект генерации второй гармоники) получается зеленый луч длиной волны 0,53 мкм.

Задающий генератор (верхний правый угол), излучение которого заводится в генератор фемтосекундных импульсов по центру. Слева вверху усилитель (луч из генератора фемтосекундных импульсов выходит налево и системой зеркал заводится в усилитель), результирующие импульсы направляются влево.

На приведенной фотографии он находится в верхнем правом углу. Зеленый свет настолько яркий, что луч спрятан в пластиковую трубку, через которую просвечивает зелень. Генератор фемтосекундных импульсов (короб с надписью COHERENT верх ногами)  является достаточно сложной системой обработки входного луча. На переднем плане видны ручки настройки внутренних оптических элементов, а серебристая ручка справа управляет длительностью выходного импульса. В генераторе происходит расширение спектра входного импульса (путем накачки еще одного лазера с широкой полосой усиления, какого именно в данном случае мне неизвестно, но в подобных системах часто это лазер на красителе родамин-6G) и последующего сжатия во времени  с помощью дифракционных решеток. Результирующий сверхкороткий импульс выходит из генератора слева (на фото не захвачено) и с помощью нескольких диэлектрических зеркал заводится в усилитель (короб с надписью Legend  на фото сверху). Усилитель так же является лазером (в данном случае титан-сапфировый лазер) с широкой частотной полосой усиления, что позволяет перестраивать длину волны выходного излучения. В результате на выходе имеем последовательность сверхкоротких импульсов длиной волны 0,3 мкм (ультрафиолет, глазом не воспринимается), в данном случае, следующих друг за другом с частотой 1 кГц (тысяча импульсов в секунду).

Общий вид: на переднем плане короб генератора фемтосекундных импульсов, левее от него усилитель. На втором ярусе слева ноутбук с управляющим программным обеспечением, по центру и справа приборы контроля и блок накачки задающего генератора. Толстый черный шнур справа — система оптических волокон, идущая от блока накачки к задающему генератору.

Все эти лазеры надо эффективно охлаждать, поддерживая заданную температуру с большой точностью:

Блок охлаждения задающего генератора. Текущая температура 14,97°C.

Блок охлаждения усилителя. Примерно в 2—2,5 раз крупнее изображенного слева.

Отдельного упоминания достоен блок накачки задающего генератора. Это большой серьезный короб с мощными светодиодами, излучение которых через связку оптических волокон диаметром сантиметра в четыре заводится в генератор.

Блок накачки задающего генератора. Панель управления

Накачка имеет мощность 7,4 Ватта, а потребляет «коробочка» 21 Ампер.

В работе

Основная техника безопасности заключалась в запрете наклоняться на уровень лазерного луча, ибо последствия для глаз будут катастрофичны. Когда мы пришли, лазерная установка уже находилась в рабочем состоянии. Выходной луч направлялся на систему диэлектрических зеркал (специальные многослойные структуры, расчитанные на хорошее отражение заданной длины волны) и выводился наружу в комнату.

Система диэлектрических зеркал, выводящая излучение. Зеркала светятся из-за высокой мощности отражаемого излучения.

Мощность излучения даже в таком режиме достаточна для люминесценции вещества, взаимодействующего с ним, что видно на верхней и нижней фотографии.

Вид сбоку

На выходе на пути луча поставили призму. В импульсе оказалось две близких частоты, одна из которых имеет большую мощность:

Полученный от всей системы луч запустили в призму. На экране из листа бумаги оказалось две яркие точки, что свидетельствует о наличии двух частот в импульсе. Наблюдается не отраженный свет, а люминесценция бумаги под воздействием высокой мощности излучения.

Разговор о широком спектре импульса выше здесь надо понимать как большую полуширину каждой из этих двух частотных составляющих импульса. Если вместо призмы взять линзу, будет дырка, но на практике подобное не делали 🙂

Включили систему контроля.

Осциллограф, подключенный к кольцевому резонатору усилителя и блок управления усилителем

Усилитель сверхкоротких импульсов содержит титан-сапфировый лазер и кольцевой резонатор. К резонатору подключен осциллограф, показанный на фотографии выше. Пики на его мониторе соответствуют усилению импульса при каждом проходе резонатора. Когда при очередном проходе усиления не происходит, импульс выпускается наружу (поэтому два последних пика практически одинаковы). Под осциллографом расположен блок управления усилителем, но назначения его кнопок мне точно неизвестны. Впрочем, нам показывали крутя его ручки в правой группе, как можно менять количество проходов резонатора вручную. Оказывается, если проходов без усиления будет больше двух, то генерация будет нестабильной, что нежелательно: от импульса к импульсу будет хаотически меняться его мощность и длительность. На самом деле автоматика усилителя достаточно умная и обычно подбирает параметры стабильной работы самостоятельно, без серьезных поправок вручную.

Оптический пробой воздуха на острие отвертки

Помещенный на пути распространения луча (в перетяжке) кончик отвертки приводил к оптическому пробою воздуха: на фотографии выше видна яркая искра, возникающая вблизи поверхности металла. Пробой был слышен, во время искрения стоял низкий гул, соответсвующий частоте генерации импульсов. На переднем плане фотографии выше видна отодвинутая в бок призма, а на заднем — заклеенное в данный момент отверстие в стене, необходимое на тот случай, если эксперимент проводится в соседней лаборатории.

Заключение

Большое спасибо Андрею Данилюку и всем сотрудникам лаборатории фемтосекундных лазеров за интересную и познавательную экскурсию, демонстрирующую, что экспериментальная наука в Украине не только существует, но и дает серьезные результаты.

Реклама