Микроплазма и энергоперенос в объеме прозрачных диэлектриков, регистрируемые с помощью генерации третьей гармоники фемтосекундного лазерного излучения

Оглавление
8ВЕДЕНИЕ.............................................................................4
ГЛАВА 1. ФЕМТОСЕКУНДНАЯ ЛАЗЕРНАЯ СИСТЕМА НА ХРОМ-ФОРСТЕРИТЕ И ХАРАКТЕРИЗАЦИЯ ЕЕ ПАРАМЕТРОВ.........................................................................12
§1.1 лазерные системы ультракороткой длительности..................................12
§1.2 Принципиальная схьма лазерной системы на хром-форстерите......................14
§1.3 Система контроля параметров лазерного излучения...............................18
§1.4 Измерение длительности и спектра импульса лазерной системы на хром-форстерите.23
§1.5 оптимизация параметров острой фокусировки фемтосекундного лазерного излучения.26
§1.6 Измерение контраста излучения лазера на хром-форстерите.......................30
ВЫВОДЫ ПО РЕЗУЛЬТАТАМ ГЛАВЫ 1......................................................35
ГЛАВА 2. СТРУКТУРНАЯ ДИАГНОСТИКА И ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОПТИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ДИЭЛЕКТРИКОВ С ПОМОЩЬЮ ПРОЦЕССА ГЕНЕРАЦИИ ТРЕТЬЕЙ ГАРМОНИКИ
ОСТРОСФОКУСИРОВАННОГО ФЕМТОСЕКУНДНОГО ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ.............................36
§2.1 методы структурной диагностики и определения оптических свойств диэлектриков..36
§2.2 ГЕНЕРАЦИЯ ТРЕТЬЕЙ ГАРМОНИКИ ОСТРОССОКУСИРОВАННОГО ФЕМТОСЕКУНДНОЮ ЛАЗЕРНОГО
ИЗЛУЧЕНИЯ В НЕВОЗМУЩЕННОЙ СРЕДЕ.....................................................43
§2.3 Экспериментальная схема.......................................................51
§2.4 Измерение разницы показателей преломления на длинах волн 1,24 и 0,413 мкм и
нелинейной восприимчивости третьего порядка х13) диэлектрических сред...............52
§2.5 Диагностика остаточных лазерно-индуцированных микромодификаций в объеме
прозрачных диэлектриков.............................................................57
ВЫВОДЫ ПО РЕЗУЛЬТАТАМ ГЛАВЫ 2.........................................................60
ГЛАВА 3. ДИАГНОСТИКА ЛАЗЕРНО-ИНДУЦИРОВАННОЙ ПЛАЗМЫ В ОБЪЕМЕ ПРОЗРАЧНЫХ ДИЭЛЕКТРИКОВ..........................................................................62
§3.1 ДИА1НОСТИКА ПЛАЗМЫ, ФОРМИРУЕМОЙ ОСТРОСФОКУСИРОВАННЫМ ФЕМТОСЕКУНДНЫМ ЛАЗЕРНЫМ
ИЗЛУЧЕНИЕМ В ОБЪЕМЕ ПРОЗРАЧНЫХ ДИЭЛЕКТРИКОВ.........................................62
§3.2 Численное моделирование динамики и методов диагностики лазерно-индуцированой
ПЛАЗМЫ В ОБЪЕМЕ ПРОЗРАЧНОГО ДИЭЛЕКТРИКА.............................................69
3.2.1 Моделирование лазерно-индуцированной плазмы................................69
2
3.2.2 Генераций третьей гармоники остросфокусированного фемтосекундного лазерного излучения ближнего ИИ диапазона в объем прозрачного диэлектрика в режиме
формирования плазмы................................................................74
§3.3 Регистрация порога формирования плазмы при острой фокусировке фемтосекундного
ИЗЛУЧЕНИЯ БЛИЖНЕГО ИК ДИАПАЗОНА В ОБЪЕМ ПРОЗРАЧНЫХ ДИЭЛЕКТРИКОВ.......................79
3.3.1 Экспериментальная регистрация порога возбуждения плазмы при острой фокусировке лазерного излучения в объем образца плавленого кварца.............79
3.3.2 Численное моделирование поглощения лазерного излучения и процесса ГТГ в образце плавленого кварца в условиях возбуждения плазмы.......................81
§3.4 Диагностика с временным разрешением лазерно-индуцированной плазмы, созданной при острой фокусировке фемтосекундного лазерного излучения ближнего ИК-диапазона в объем плавленого кварца..................................................................83
ВЫВОДЫ ПО РЕЗУЛЬТАТАМ ГЛАВЫ 3...........................................................93
ГЛАВА 4. ГЕНЕРАЦИЯ КОГЕРЕНТНЫХ ФОНОНОВ В ОБЪЕМЕ ПРОЗРАЧНЫХ ДИЭЛЕКТРИКОВ В РЕЖИМЕ ФОРМИРОВАНИЯ ПЛАЗМЫ..............................................................95
§4.1 когерентные фононы И МЕТОДЫ ИХ РЕГИСТРАЦИИ.......................................95
§4.2 Особенности процесса генерации когерентных фононов з кристаллическом кварце 100
§4.3 Влияние плазмы на процессы энергопереноса и генерации когерентных фононов в
лейкосапфире, ВаР2, СаР2, 1|Р........................................................112
ВЫВОДЫ ПО РЕЗУЛЬТАТАМ ГЛАВЫ 4..........................................................125
ЗАКЛЮЧЕНИЕ............................................................................127
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:.....................................................................130
3
ВВЕДЕНИЕ.
А кптпьность темы
Диссертационная работа посвящена решению фундаментальных проблем нелинейной оптики и физики взаимодействия высокоинтенсивного (~ 1013 Вт/см2) фемтосекундного лазерного излучения с веществом: изучению временной динамики создания лазерно-индуцированной мнкромодифпкации в объеме прозрачных диэлектриков па масштабе времен от сотни фемтосекунд до сотни пикосекуид с разрешением лучше 100 фс, а также локальной нелинейно-оптической диагностике остаточных лазерно-индуцированных микромодификаций и структурных неод н ородностей.
Фемтосекундное лазерное излучение с энергией импульса порядка 1 мкДж, остросфокуснрованное (ЛГЛ~0,4) в объем прозрачного диэлектрика, достигает предельной для твердого тела интенсивности ~10п Вт/см2 и приводит к созданию экстремального состояния вещества в мпкрообъемс среды. Под воздействием лазерного ноля в объеме вещества происходят процессы туннельной, многофотонной и ударной ионизации среды, формируется неравновесная электронная плазма (концентрация электронов до -К)20 см средняя энергия электронов до 10 эВ). В результате релаксации плазмы энергия электронов передается в кристаллическую решетку вещества, что впоследствии приводит к формированию, распространению ударных волн и последующему созданию остаточных микромодификаций структуры вещества. Таким образом, процесс формирования мнкромодифпкации в диэлектриках фемтосекундным лазерным излучением, широко использующийся на практике в микрообработке материалов («micromachinmg»), трехмерной оптической записи информации, создании волноводов и фотонно-кристаллических структур, с общефизической точки зрения представляет собой каскад сложных взаимосвязанных процессов перераспределения поглощенной лазерной энергии, происходящих на разных масштабах времени.
Наиболее изучены процессы передачи энергии от лазерного излучения электронам формируемой в объеме среды плазмы, происходящие на временах длительности фемтосекундного лазерного импульса [1-6], и процессы распространения ударных и тепловых волн в твердотельной среде, протекающие Fia наносекундном и более масштабе времен [7-17]. Наименее исследованы процессы, происходящие во временном интервале от сотни фемтосекунд до сотен пикосекунд, когда энергия из лазерной плазмы передастся коллективным колебаниям решетки диэлектрика. Разнообразие физических процессов (формирование и релаксация плазмы, возбуждение ионной подсистемы п ее релаксация),
4
протекающих в среде после воздействия интенсивного фемтосекундного лазерною излучения, затрудняет анализ экспериментальных данных. Более того, в режиме экстремального состояния вещества поведение ряда эффектов кардинально отличается от слабо возмущающего режима воздействий. Например, может происходить изменение частоты когерентных фононов при локальном нагреве объема среды, генерация и взаимодействие коллективных когерентных колебаний решетки твердого тела в ангармоническом режиме. Неизученным остается вопрос передачи энергии от лазерно-индуцированной плазмы ионной подсистеме в диэлектриках различного типа, в том числе аморфных средах. Интерес к исследованию возбуждения и релаксации фононов в твердотельных средах постоянно растет но причине расширения возможностей практического применения когерентных фононов, в частности, для преобразования механической энергии в энергию когерентных электромагнитных волн и диагностики движения ионов с помощью лазерного излучения.
С задачей исследования релаксации лазерной плазмы и динамики формирования лазерно-индуцированной микромодификации в объеме прозрачных диэлектриков неразрывно связана проблема создания прецизионного метода диагностики изменений структуры объема среды с временным разрешением, который был бы высокочувствителен к стационарным (дефектам в объеме, микромодификациям, комплексам неоднородностей) и динамическим (плазме, фононам) неоднородностям. Процесс генерации третьей гармоники (ГТГ) широко используется для регистрации стационарных неоднородностей (микромодификаций) в объеме прозрачных сред в силу сильной зависимости эффективности ГТГ от волновой расстройки между основной волной и волной третьей гармоники и изменения нелинейной восприимчивости третьего порядка в среде [18-20]. В то же время формирование лазерно-индуцированной плазмы в объеме прозрачного диэлектрика приводит к изменениям показателя преломления за счет генерации свободных электронов, что отражается па изменении эффективности ГТГ. Фононы в свою очередь модулируют нелинейную восприимчивость третьего порядка, что также приводит к изменению эффективности ГТГ. Следовательно, процесс ГТГ может быть использован для зондирования лазерно-индуцированной плазмы и процессов переноса энергии в объеме прозрачных диэлектриков. Кроме этого, процесс ГТГ в остросфокусированных лазерных пучках позволяет с высоким пространственным разрешением определить такие параметры среды, как нелинейную восприимчивость третьего порядка среды, а также изменение показателя преломления между основной волной и волной третьей гармоники.
5
Таким образом, тематика данной диссертационной работы является новой и востребованной с точки зрения фундаментальных исследований и практических применений.
Целями настоящей диссеппшшюштй работы являлось:
1. Создание экспериментальной установки для изучения с высоким пространственным разрешением (~А/ЛГЛ) структурных неоднородностей и динамики процессов переноса энергии, происходящих после взаимодействия остросфокусированного высокоинтенсивного (свыше 1013 Вт/см2) фемтосекундного лазерного излучения ближнего ИК (1,24 мкм) диапазона микроджоулевого уровня энергии с объемом прозрачных диэлектриков на временах до 100 не.
2. Разработка высокочувствительного метода диагностики динамических структурных неоднородностей объема прозрачных сред, в том числе генерации и релаксации лазерной плазмы и когерентных фононов.
3. Изучение особенностей эволюции лазерио-индуцпроваиной плазмы, созданной фемтосекундным лазерным излучением микроджоулевого уровня энергии, и последующих процессов переноса энергии в объеме прозрачных аморфных и кристаллических диэлектриков на временном масштабе от согни фемтосекунд до сотни пикосекунд.
Научна» новизна
1. Разработана и апробирована методика определения с высоким пространственным разрешением (~л/НА) оптических параметров прозрачных диэлектрических сред, в том числе тонких пленок: разности показателей преломления на длинах волн 1,24 мкм и 0,413 мкм и нелинейной восприимчивости третьего порядка среды относительно ее значения для опорного образца. Для полимерной пленки, состоящей из фторакрилловых мономеров СН2=СН-СОО-СН2-(Ср2)2-Н), толщиной 90 мкм получены значения волновой расстройки между волнами основного излучения фемтосекундного лазера на хром-форстерите 1.24 мкм и излучения третьей гармоники 0,413 мкм
Лк=!650±150см'1 и нелинейности третьего порядка Х^ =(0.5 ±0.25)х 10 “2мт/Вг.
2. Разработан высокочувствительный метод зондирования эволюции лазерно-индуцированной плазмы, созданной остросфокусированным фемтосекундным лазерным излучением микроджоулевого уровня энергии в объеме прозрачных диэлектриков, и процессов переноса энергии на временном масштабе от сотни фемтосекунд до сотни пикосскунд. Метод основан на регистрации зависимости сигнала третьей гармоники,
6
генерируемой пробным фемтосекундным лазерным импульсом в объеме среды, от временной задержки относительно возбуждающего плазму лазерного излучения.
3. Установлено, что релаксация лазерно-индуцированной плазмы в объеме образца плавленого кварца имеет два характерных времени. Первый релаксационный процесс связан с известным механизмом захвата электронов в ловушки, его измеренное характерное время составляет 180±80 фс и не зависит от энергии возбуждающего лазерного импульса. Второй процесс с характерным пикосекундным временем (до 6 не), линейно зависящим от энергии возбуждающего лазерного импульса, связан с релаксацией возбуждения ионной подсистемы.
4. Впервые на пикосекундном масштабе времени зарегистрированы когерентные фононы с тсрагерцовыми частотами, возбужденные плазмой, созданной фемтосекундным лазерным импульсом с интенсивностью до — 10п Вт/см3 в объеме прозрачных кристаллических сред.
5. В кристаллическом кварце обнаружено сильное линейное изменение частот!.! фононной моды А| вблизи порога а-р фазового перехода от 1,4 до 2,9 ТГц в зависимости от временной задержки пробного импульса относительно интенсивного НО13 Вт/см2) возбуждающего, остросфокусированного лазерного излучения, вызывающего формирование микроплазмы в объеме среды.
6. Лазерно-индуцированная плазма в объеме ВаР2, СаР2 и лейкосапфира приводит к временной задержке когерентных фононов. которая в случае лейкосапфира составляет порядка 1 пс и совпадает с характерным временем термализации плазмы (передачи энергии от электронов плазмы кристаллической решетке). В кристалле 1лР наблюдается обмен энергией между фононными модами, который возможен только в режиме энгармонизма колебаний фононных волн.
Научная и практическая значимость
Диагностика структурных неоднородностей в объеме прозрачных диэлектриков, основанная на процессе генерации третьей гармоники (ПТ) является перспективным методом приповерхностной и структурной сканирующей диагностики сред, прозрачных в спектральном окне 0,4 — 1,2 мкм, с использованием промышленных аналогов фемтосекундных лазерных систем ближнего ИК-диаппзона, работающих в квазннепрерывном режиме (частоты повторения импульсов ~ 100 МГц). Это позволит сканировать объем среды на больших скоростях с возможностью исследования больших элементов.
Исследование динамики процессов переноса энергии в прозрачных диэлектриках
на временной шкале от сотни фемтосекунд до сотен пикосекунд расширяет
7
фундаментальные знания о процессах создания лазерно-индуцированных
микромодификаций в объеме твердотельных сред. Результаты исследований, проведенных в рамках настоящей работы, важны для лазерной микрообработки материалов, создания лазерно-индуцированных микромодификаций с контролируемыми параметрами.
Дальнейшие перспективы использования разработанной в данной диссертационной работе методики зондирования с регистрацией сигнала третьей гармоники пробного импульса заключаются в исследовании начальной стадии формирования ударных волн в объеме конденсированных сред. Высокая чувствительность процесса ГГГ к структурным неоднородностям объема мишеней позволяет использовать этот метод также в области фемтохимии для исследования эволюции лазерно-индуцированных химических реакций и определения характерных скоростей их протекания.
Защищаемые положения
1. Сканирование по глубине прозрачного диэлектрика остросфокусированным (Ш>0,3) фемтосекундным лазерным излучением системы на хром-форстерите субмикроджоульного уровня энергии позволяет по изменению сигнала третьей гармоники определить с высоким пространственным разрешением (~Л/МА) значения оптических параметров среды: разности показателей преломления на длинах воли основного излучения (1,24 мкм) и излучения третьей гармоники л нелинейной восприимчивости третьего порядка среды относительно ее значения для опорного образца.
2. Процесс генерации третьей гармоники остросфокусироваппого (МА>0,3) фемтосекундного лазерного излучения ближнего ИК диапазона является универсальным высокочувствительным невозмущающим методом диагностики динамических структурных микронеоднородностей объема прозрачных диэлектриков. С его помощью возможна регистрация процессов создания и релаксации лазерной микроплазмы и фононов в объеме аморфных и кристаллических диэлектрических сред.
3. Лазерно-индуцированная микроплазма, созданная в объеме прозрачного кристаллического диэлектрика остросфокусированным высокоинтенсивным (~1013 Вт/см2) фемтосекундным лазерным излучением, приводит к возбуждению когерентных фононов, обмену энергией между когерентными фононными модами и изменению частоты мягких фоноиных мод.
8
Аппобания работы и публикации
Результаты исследовании, вошедших в диссертационную работу, опубликованы в 13 печатных работах, в том числе в 4 научных статьях из списка ВАК России, а также докладывались на следующих научных конференциях: Международная конференция “Лазерная физика и оптические технологии-2008” ЛФИОГ08 (Минск, Беларусь, 2008), школа-семинар «Современные нанотехнологии и нанофотоника для науки и производства» (Владимир, Россия. 2008), Международная конференция «Оптика лазеров-2008» (Санкт-Петербург. Россия, 2008), Международная конференция ОрЮшГогтаНся-2008 (Санкт-Петербург, Россия, 2010), 17-я Международная конференция, посвященная проблемам лазерной физики ЬРНУБ’ОЯ (Трондхейм, Норвегия, 7.008). Международная конференция по лазерам и лазерным технологиям “1ЬЬА-2009” (Смолян, Болгария, 2009), Международная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых по фундаментальным наукам “КЖ5-2010” (Москва, Россия, 2010), Международная конференция по когерентной и нелинейной оптике 1СОМО-20Ю (Казань, Россия, 2010).
Список опубликованных работ приведен в конце настоящего реферата.
Личный вклад автора
Все изложенные в диссертационной работе оригинальные результаты получены автором лично, либо при его непосредственном участии. Автором осуществлялось создание и автоматизация экспериментальных схем, проведение экспериментов, обработка экспериментальных данных, анализ результатов экспериментов, а также их интерпретация.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, благодарностей и списка цитированной литературы. Работа изложена на 141 страницах, включает 65 рисунков, 2 таблицы и список литературы с общим числом ссылок 179.
Краткое содержание диссертации
Первая глава диссертационной работы посвящена описанию схемы хром-форстсритовой фемтосекундной лазерной системы, излучение которой использовалось в экспериментах, а также описанию измерений основных ес параметров: спектра лазерного излучения, длительности импульса, моды основного излучения к излучения второй гармоники, контраста. Приводятся количественные оценки нестабильности энергии второй гармоники и нестабильности угловых флуктуации пространственного положения пучка, профиль интенсивности излучения второй гармоники и основного излучения.
Вторая глава посвящена процессу генерации третьей гармоники при острой фокусировке лазерного излучения как методу локальной диагностики структуры
9
прозрачных сред с высоким пространственным разрешением. В начале второй главы приводится обзор известных методов локальной диагностики структуры прозрачных сред. Рассматриваются вопросы чувствительности и разрешения методики на основе процесса генерации третьей гармоники (ГТГ) и се преимущества по сравнению с другими существующими методами диагностики. Далее обсуждается возможность использования процесса ГТГ остросфокусированного лазерного излучения для диагностики оптических свойств прозрачных диэлектриков. Приводятся оригинальные экспериментальные исследования, посвященные измерению величины разницы показателей преломления на длинах волн 1,24 и 0,413 мкм (волновой расстройки между волнами основного излучения лазерной системы на хром-форстерите и излучения третьей гармоники), относительной нелинейной восприимчивости третьего порядка х(3) прозрачных диэлектрических сред. В конце главы обсуждаются результаты регистрации остаточных лазерно-индуцированных микромодификаций в объеме прозрачных диэлектриков с использованием метода диагностики на основе процесса ГТГ.
Третьи глава посвящена экспериментальному исследованию эволюции лазерно-индуцированной плазмы и процессов переноса энергии в объеме прозрачных диэлектриков. В начале главы приводится обзор литературы по эволюции лазерпо-нндуцированиой плазмы в объеме твердотельных сред и методам ее диагностики. Оцениваются параметры формируемой плазменной области. Приводятся результаты численного моделирования процесса генерации третьей гармоники при острой фокусировки фемтосекундного лазерного излучения микроджоулевого уровня энергии в объем прозрачных диэлектриков в условиях формирования плазмы. Обсуждаются эксперименты но исследованию динамики лазерно-индуцированной плазмы, созданной в объеме плавленого кварца, с использованием разработанной нелинейно-оптической методики с регистрацией сигнала третьей гармоники пробного импульса. Показано, что процесс генерации третьей гармоники остросфокусированного лазерного излучения ближнего ИК диапазона (X = 1.24 мкм) является более чувствительным методом определения порога формирования плазмы в объеме прозрачных диэлектриков но сравнению со стандартной схемой измерения нелинейного пропускания образцом энергии лазерного излучения. Обсуждается наличие двух характерных времен в релаксации лазерно-индуцированой плазмы, созданной остросфокуспрованиым фемтосекундным лазерным излучением на хром-форстерите в объеме плавленого кварца.
Четвертая глава диссертационной работы посвящена экспериментальному
исследованию процессов переноса энергии из лазерно-индуцированной плазмы в 061,см
прозрачных кристаллических диэлектриков (кварц, 1ЛГ, СаГ2, ВаР2, лейкосапфир). В
10
начале главы приводится обзор литературы по методам возбуждения и регистрации когерентных фононов в кристаллических диэлектриках под воздействием лазерного излучения ультракороткой длительности.- Обсуждаются результаты экспериментов но генерации когерентных фононов в объеме образца кристаллического кварца в режиме формирования плазмы остросфокусированным фемтосекундным лазерным излучением. Делается вывод о доминирующем влиянии плазмы на процесс генерации когерентных фононов в кристаллических диэлектриках по сравнению с механизмом вынужденного комбинационного рассеяния света (ВВКР) при экстремально высоких интенсивностях возбуждающего лазерного излучения ~10ьВт/см2. Установлено, что лазерно-индуцированная микроплазма, созданная в объеме прозрачного кристаллического диэлектрика остросфокусированным высокоинтенсивным (-10 Вт/см2) фемтосекундным лазерным излучением, приводит к возбуждению когерентных фононов, обмену энергией между когерентными фононными модами п изменению частоты мягких фононпых мод.
Публикации но результатам исследований, выполненных и диссертационной работе
Гордиенко 13.М., Потемкин Ф.В., Михеев П.М. Эволюция фемтосекундной лазерно-индуцированной плазмы и процессов энергопереноса в микрообъеме Si02, регистрируемых методом генерации третьей гармоники // Письма в ЖЭТФ. 2009. Т. 90. С. 286
Gordienko V. М., Khodakovskij N. G., Mikheev Р. M., Potemkin F. V. , Zubov K. Ju., TUG in dielectrics using low-encrgy tightly-focused IR femtosecond laser third-order nonlinearity measurements and the evolution of laser-induced plasma // Journal of Russian Laser Research. 2009. T. 30. C. 599
Гордиенко В.М.. Михеев П.М., Потемкин Ф.В. Генерация когерентных терагерцовых фононов при острой фокусировке фемтосекундного лазерного излучения в объем кристаллических диэлектриков в режиме формирования плазмы // Письма в ЖЭТФ. 2010. Т. 92. С. 553
Михеев U.M., Потемкин Ф.В. Генерация третьей гармоники фемтосекундного лазерного излучения ближнего ИК диапазона, остро фокусированного в объем прозрачного диэлектрика, в режиме формирования плазмы //ВестникМГУ. 2011.Т. 1.С. 19
11
Глава 1. Фемтосекундная лазерная система на хром-форстернте и характеризация ее параметров
В данной главе приводится краткое описание фемтосекундной лазерной системы на хром-форстсритс, излучение которой использовалось в экспериментах. Рассмотрены основные узлы данной системы, даны описания кросскорреляционных методик, применявшихся для измерения длительности импульса и контраста фемтосекундного лазерного излучения. Создана система мониторинга параметров лазерного излучения видимого и ближнего ИК диапазонов, таких как пространственная мода, спектр, контраст, длительность и энергия фемтосекундного светового импульса, которые существенным образом определяют результаты проводимых экспериментов.
§1.1 Лазерные системы ультракороткой длительности
Интенсивное развитие компактных сверхмощных лазерных систем в конце 80-х годов привело к получению в лабораторных условиях светового поля напряженностью 109-1010 В/см, превышающего напряженность кулоновского поля взаимодействия электрона с ядром. Изначально фемтосекундные эксимсрныс лазерные системы являлись единственными источниками высокоэнергетических сверхкоротких лазерных импульсов, так как использование твердотельных лазеров ограничивалось наносекундным интервалом длительностей импульсов [21]. Затем появился целый класс новых твердотельных фемтосекундных лазерных систем тераваттного уровня мощности, базирующихся на технологии усиления чирпированного импульса (УЧИ). Наиболее распространенными представителями этого класса являются системы на ТьЗаррЫге и Сг:Рога1егне [22-25].
Одним из основных параметров лазерного материала является плотность энергии насыщения Е„асу соответственно, чем больше эта величина, тем меньше можно взягь апертуру усиливаемого сигнала для получения аналогичного усиления. Плотность энергии насыщения определяется через сечение флуоресценции среды ст на частоте перехода V [26]:
Заметим, что системы на неодимовом стекле обладают большими энергетическими возможностями, но в то же время минимальная длительность усиливаемого импульса теоретически ограничена 400 фс. В реальном случае стандартные системы на 14<1-стсклс работают с импульсами ~1 пс длительности [27]. Исключением является установка.