Дисперсійні наноструктури для генерації і трансформації ультракоротких світлових імпульсів

Размещено на http://www.allbest.ru/

КИЇВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

ІМЕНІ ТАРАСА ШЕВЧЕНКА

УДК 535.417

01.04.05 - Оптика, лазерна фізика

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора фізико-математичних наук

Дисперсійні наноструктури для генерації і трансформації ультракоротких світлових імпульсів

Первак Володимир Юрійович

Київ - 2010

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Київському національному університеті імені Тараса Шевченка

Науковий консультант: доктор фізико-математичних наук, професор, Заслужений діяч науки і техніки України Анісімов Ігор Олексійович, Київський національний університет імені Тараса Шевченка, декан радіофізичного факультету

Офіційні опоненти: доктор фізико-математичних наук, старший науковий співробітник Стронський Олександр Володимирович, Інститут фізики напівпровідників ім. В.Є.Лашкарьова НАН України, провідний науковий співробітник

доктор фізико-математичних наук, професор, Заслужений діяч науки і техніки України Ангельский Олег В'ячеславович, Чернівецький національний університет, декан інженерно-технічного факультету, завідувач кафедри кореляційної оптики

доктор фізико-математичних наук, доцент Дмитрук Ігор Миколайович, Київський національний університет імені Тараса Шевченка, професор кафедри експериментальної фізики фізичного факультету

Захист відбудеться “21” червня 2010 р. о 1430 на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.001.23 у Київському національному університеті імені Тараса Шевченка за адресою: 03680, м. Київ, проспект акад. Глушкова 2, корп. 1, ауд. 200.

З дисертацією можна ознайомитись у науковій бібліотеці Київського національного університету імені Тараса Шевченка за адресою: 01033, м. Київ, вул. Володимирська, 58.

Автореферат розісланий “22” квітня 2010 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради д. ф.-м. н., професор Поперенко Л.В.

Загальна характеристика роботи

Останнє десятиріччя відзначилося значними здобутками в розвитку фізичних методів дослідження мікросвіту. На озброєнні у дослідників з'явилися нові засоби, що дозволяють досліджувати властивості речовини в атомарному масштабі, як просторовому, так і часовому. Розвиток фемтосекундних технологій дозволив подолати межу в 1 фемтосекунду (1 фемтосекунда = 10-15 секунд) для роздільної здатності часових вимірювань і забезпечив прогрес аттосекундної науки. Аттосекундна наука виникла на початку 1990-х з досліджень в атомній фізиці з ультракороткими імпульсами. Можна виділити кілька важливих характеристик поточного розвитку аттосекундної технології, що сприяло появі нових напрямків в науці. По-перше, в нелінійному середовищі, в якому вони виникають, аттосекундні оптичні імпульси завжди супроводжуються аттосекундними електронними імпульсами. Тому технології електронної фізики можуть інтегруватися з оптичними технологіями. Електрон дає аттосекундній науці доступ до просторової роздільної здатності, що визначається довжиною хвилі електрону (~1 Е), а оптика дає фізиці електронних зіткнень системний метод вимірювання динаміки. стає можливим дослідження тривимірного (3D) молекулярного руху в реальному часі з просторовою роздільною здатністю менше ангстрема і часовою роздільною здатністю менше фемтосекунди. По-друге, аттосекундні фотонні або електронні імпульси супроводжуються синхронізованими видимими імпульсами з контрольованою хвилевою формою. Таким чином, аттосекундна технологія розширює діапазон традиційної ультра швидкої спектроскопії і керування значними полями в часових проміжках від усередненого одного циклу до інтервалу менше циклу видимого світла, досягає роздільної здатності в часі і техніці керування від молекулярної до електронної часової шкали. Окрім того, стає можливим зондування атомів або молекул завдяки наявності сильних полів. І наостанок, аттосекундні або електронні імпульси мають енергії від 10 еВ до 1 кеВ і вище. Динаміка електронів на внутрішніх рівнях і багато-електронна динаміка або навіть ядерна динаміка може досліджуватися в реальному часі.

Розвиток аттосекундних і фемтосекундних технологій суттєво залежить від досконалості, надійності і контрольованості основних засобів дослідження в цій області - джерел, систем генерації і регістрації ультракоротких світлових імпульсів. Прогрес відбувається, зокрема, завдяки постійному розвитку відомих принципів дисперсійного контролю і розвитку оптичних компонентів, що дозволяють здійснювати дисперсійний контроль ультракоротких світлових імпульсів. Дисперсійний контроль передбачає здатність формувати оптичні хвильові пакети в межах одного циклу коливань світлового поля, мінімізацію енергетичних втрат в дисперсійних елементах і вирішення проблеми їх променевої міцності. Одним з основних елементів дисперсійного контролю є багатошарові наноструктури, що дозволяють керувати амплітудно-фазовими характеристиками світлового поля. Створення таких наноструктур є надзвичайно складною задачею навіть теоретично, не говорячи вже про їх практичну реалізацію, яка здійснюється на межі найновітніших технологічних досягнень. Складність теоретичного вирішення проблеми створення дисперсійних наноструктур обумовлена відсутністю загального розв'язку оберненої спектральної задачі, аналітичних і чисельних методів загального розв'язку задачі про глобальні екстремуми багатопараметричного функціоналу. Існуючі методи розв'язання обох задач базуються на різноманітних методах оптимізації, жодний з яких не вирішує повністю проблему пошуку глобального екстремуму. Можна навести простий приклад, що свідчить про складність розв'язання згаданих проблем. Припустимо потрібно знайти структуру, яка має потрібні оптичні характеристики. Припустимо також, що ця структура складатиметься з 20 шарів з добре відомих матеріалів, а розрахунок спектральних характеристик такої структури (пряма спектральна задача) потребує усього 1 нс. Якщо спробувати знайти оптимальну структуру шляхом прямого перебору усіх можливих параметрів, то це виявиться практично нездійсненою задачею. Зокрема, якщо будемо варіювати лише товщини шарів, кожна з яких має 20 різних значень, то загальний час розрахунків складе 2020Ч10-9 секунд ? 2Ч109 років. Для ультракоротких імпульсів фемтосекундного діапазону практично усі середовища є дисперсійними, що приводить до значного розширення імпульсів при поширенні в середовищах. Багатошарові наноструктури виявилися найефективнішими при вирішенні проблеми компенсації дисперсії в лазерних системах. Чим коротший світловий імпульс, тим складніше ця проблема вирішується. В більшості випадків відповідні структури складаються не менш, як з 50-120 шарів.

Все вищезгадане свідчить про актуальність теми дисертаційної роботи.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана на кафедрі фізичної електроніки радіофізичного факультету Київського Національного університету імені Тараса Шевченка за планом доктарантури, тема дисертації затверджена Вченою радою радіофізичного факультету (протокол № 1 від 22.09.2008 р.), узгоджена з планом науково-дослідної роботи кафедри фізичної електроніки по темі “Фундаментальні основи новітніх та ресурсозберігаючих технологій на основі радіофізики та електроніки” (номер держреєстрації 06БФ052-01).

Метою даної роботи є створення нових та вдосконалення відомих методів синтезу дисперсійних наноструктур для систем генерації і трансформації ультракоротких світлових імпульсів. Досягнення мети вимагає:

аналізу існуючих підходів синтезу багатошарових інтерференційних наноструктур із заданими спектральними характеристиками відбивання, фази, групової затримки і дисперсії групової затримки; встановлення критеріїв ефективності методів синтезу;

формулювання загального критерію, що дозволить вирішити проблему синтезу і забезпечить усі необхідні часові властивості вихідного ультракороткого імпульсу;

розробки концепції подавлення осциляцій дисперсії групової затримки;

створення дисперсійних дзеркал з контрольованою дисперсією в діапазоні 1,5 октави, що робить можливим стиснення імпульсів до тривалості менше 2 фс;

розробки високо дисперсійних дзеркал в широкому спектральному діапазоні;

розробки надійного і ефективного методу вимірювання дисперсійних властивостей багатошарових структур;

вирішення проблеми стійкості розв'язків задачі синтезу;

експериментальної перевірки надійності створених методів синтезу і виготовлених дисперсійних дзеркал.

Об'єктом досліджень є синтез та оптичні властивості багатошарових інтерференційних наноструктур.

Предметом досліджень є синтез та оптичні властивості багатошарових інтерференційних наноструктур з контрольованими дисперсійними характеристиками.

Методи досліджень. Для синтезу та визначення спектральних характеристик багатошарових структур використовувалися методи комп'ютерного моделювання, чисельного програмування, матричної оптики. Виготовлення теоретично розрахованих багатошарових структур здійснювали методами електронно-променевого та магнетронного нанесення у високому вакуумі з використанням часових, частотних та оптичних методів контролю параметрів осаджуваних шарів безпосередньо в процесі їх росту. Спектральні і дисперсійні характеристики виготовлених структур вимірювалися методами оптичної спектроскопії (вимірювання спектрів відбивання і пропускання на двохпроменевих спектрофотометрах), методами частотно роздільного оптичного стробування (FROG, GRONOLINE), спектрально-фазової інтерферометрії для прямої реконструкції електричного поля (SPIDER), автокореляційної інтерферометрії. Визначення оптичних сталих матеріалів, що використовувалися для виготовлення багатошарових структур, здійснювали шляхом виготовлення одношарових покриттів із цих матеріалів з подальшим вимірюванням їхніх спектрів пропускання і комп'ютерного моделювання властивостей.

Наукова новизна дисертаційної роботи полягає в тому, що вперше:

Показано, що висока дисперсія досягається внаслідок поєднання двох ефектів, залежних від довжини хвилі, проникнення вглиб та резонансного. Згладжування осциляцій досягається оптимізацією сумарної дії обох ефектів. При цьому положення областей умовних резонаторів визначається будовою структури і може бути визначено експериментально по екстремумам осциляції дисперсії. Резонатор, як правило, складається з кількох шарів і не обмежується інтерфейсами шарів. Знак дисперсії групової затримки визначається порядком розташування резонаторів, а величина їх кількістю.

Запропоновано нову концепцію синтезу дисперсійних наноструктур, придатних для стиснення імпульсів з тривалістю менше 5 фс, яка базується на часовому підході до оптимізації структури і новій оптимізаційній мішені, що містить кінцеві вимоги до властивостей вихідного імпульсу в часовому масштабі.

Запропоновано метод синтезу дисперсійних дзеркал з двома робочими кутами, що вирішує проблему ефективного подавлення залишкових осциляцій дисперсії групової затримки.

Показано, що в випадку оптимізації структури дисперсійних дзеркал з мішенню, яка характеризується дисперсією групової затримки, основний недолік полягає в флуктуаціях усередненої величини дисперсії. В часовому масштабі це означає, що значна кількість енергії передається від імпульсу його сателітам вже після одного відбивання. Використання групової затримки в якості мішені для оптимізації дозволяє уникнути флуктуацій усередненої величини дисперсії групової затримки.

Доведено реальність розв'язання оберненої спектральної задачі синтезу структур, здатних стискувати оптичні імпульси до тривалості менше 3 фс в спектральному діапазоні 400-1200 нм та до тривалості менше 2 фс в спектральному діапазоні 300-900 нм.

Показано досяжність дисперсії до 105 фс2 за допомогою створених високо дисперсійних чирпованих багатошарових діелектричних дзеркал. Це відкриває шлях до створення простих і компактних фемтосекундних лазерних систем з енергією в 0,1 ТВт без призм і дифракційних граток.

Показано недосконалість емпіричної моделі для оцінювання параметрів багатошарової структури з заданою часовою і просторовою дисперсією, яка дає суттєво занижені максимальні значення досяжних групової затримки і просторового зсуву.

Доведено можливість стиснення ультракоротких світлових імпульсів за допомогою виключно дисперсійних наноструктур.

Практичне значення отриманих результатів полягає в тому, що вперше:

Створено новий алгоритм і удосконалено техніку вимірювання дисперсійних характеристик багатошарових структур (групова затримка і дисперсія групової затримки) за допомогою інтерферометру білого світла. Точність визначення групової затримки і дисперсії групової затримки складає приблизно 0,3% і 4%, відповідно. Такої точності достатньо в більшості застосувань з використанням фемтосекундної дисперсійної оптики. Майбутні експерименти з фемтосекундними підсилювачами вимагатимуть ще вищої точності визначення GDD (похибка менше 1%). Запропонований алгоритм дозволяє досягти такого рівня точності при подальшому удосконалені крокового двигуна і системи реєстрації вимірювальної установки.

Показано теоретично, реалізовано і перевірено експериментально в лазерних системах на Ti:Sa можливість створення чирпованих дзеркал з низьким рівнем осциляції дисперсії і їх здатність компенсувати дисперсію реальних оптичних матеріалів. Зокрема, показано, що залишкові флуктуації GDD, накопичені при 120 відбиваннях від новостворених дисперсійних дзеркал, не приводять до суттєвої деградації форми, пікової амплітуди і тривалості імпульсів Гауссової форми тривалістю 60 фс. Створені чирповані дзеркала з низькими осциляціями GDD і низькими втратами успішно використовуються для розвитку резонаторів високоенергетичних фемтосекундних лазерів з покращеними характеристиками. Запропоновані концепції створення дисперсійних дзеркал можуть бути використані при виготовленні дисперсійних дзеркал з низькими втратами і низькими осциляціями GDD для імпульсів з тривалістю 20 фс і нижче.

Створено новий гібридний компресор, що містить як призми, так і чирповані дзеркала. Гібридний компресор є значним кроком вперед для генерації інтенсивних майже одно періодних лазерних імпульсів в ближній інфрачервоній області спектру простими і надійними лазерними системами. Попередні експерименти по генерації вищих гармонік виявили суттєву залежність когерентної рентгенівської емісії від точної форми лазерних хвильових пакетів. Ці результати демонструють потенційну здатність інтенсивних, близьких до одно періодних, лазерних полів до генерації ізольованих суб-100 аттосекундних рентгенівських імпульсів, достатньо потужних для аттосекундної спектроскопії.

Продемонстровано ультра широкосмугові підсилювачі чирпованих імпульсів з вихідною енергією на рівні 100 мкДж, накачка яких здійснюється короткими імпульсами (~ 100 фс), і компресія підсилених імпульсів до суб-10-фс кілька періодного режиму. Проведені експерименти представляють перші кроки до створення систем підсилення для отримання багатотераватних кілька періодних ультракоротких світлових імпульсів. Для масштабування таких коротко імпульсних підсилювачів до значно вищих вихідних енергій необхідні високо потужні лазери накачки, які здатні генерувати імпульси з дуже високою просторовою однорідністю потоку. Вирішення цих проблем дозволить опанувати петаватний діапазон потужностей імпульсів в кілька періодному режимі.

Отримано мкВт рівень середньої вихідної потужності ультракоротких імпульсів в області рентгенівського ультрафіолету. З таким рівнем потужності вперше стає можливою точна спектроскопія в цій області. Показана можливість прецизійної спектроскопії з швидкостями нижче 1 Гц.

Розроблені методи синтезу дисперсійних дзеркал використовуються при створенні унікальних систем генерації і трансформації ультракоротких світлових імпульсів з тривалостями до ~ 100 аттосекунд. Це відкриває шлях до створення принципово нових методів дослідження в фундаментальній науці і технологіях. Перш за все це можливість вивчення електронної динаміки в атомах і молекулах.

Особистий внесок здобувача полягає в особистому отриманні представлених у дисертації наукових результатів, що стосуються формулювання вимог, синтезу і виготовлення багатошарових дисперсійних наноструктур, функціональних оптичних елементів (дзеркал, світло подільників, антивідбивальних покриттів), вимірювання їх оптичних характеристик. Інші наукові результати отримані спільно із співавторами, при цьому здобувач брав участь в обговоренні проблемних завдань та постановці задач, підготовці та проведенні експериментів, інтерпретації результатів, написанні наукових статей та підготовці наукових доповідей.

Роботи [1, 55] виконані одноосібно. В роботі [2] одноосібно написані розділи 1, 2, 7, розділи 3-6 спільно із співавторами. В роботі [3] одноосібно написані розділи 1 - 5, 15 - 16, розділи 6 - 14 спільно із співавторами. В роботах [4, 33, 34, 42] запропоновано ідею створення компресору виключно на дисперсійних дзеркалах, синтезовано і виготовлено дисперсійні дзеркала, розроблено схему стиснення імпульсів. В роботах [5, 54] проведено моделювання, синтез і виготовлено дисперсійні дзеркала. В роботі [6] запропоновано ідею дисперсійних дзеркал з двома робочими кутами, проведено моделювання, синтез, виготовлено і експериментально перевірено оптичні властивості виготовлених дзеркал, здійснювалося загальне керівництво. В роботі [7] запропонована і розвинута ідея застосування часового підходу до синтезу дисперсійних дзеркал, проведено моделювання спектральних і часових характеристик, виготовлено різні типи дисперсійних дзеркал , виміряні їх параметри. В роботі [8] запропоновано новий алгоритм вимірювання дисперсії групової затримки, виготовлена експериментальна установка та проведено особисто усі вимірювання, здійснювалося загальне керівництво. В роботі [9] визначено вимоги до спектральних і часових параметрів дисперсійних дзеркал, проведено моделювання, оптимізацію і виготовлено багатошарові структури. В роботі [10] проведено розрахунок, виготовлено чирповані дзеркала з заданими оптичними і часовими характеристиками, оптимізовано структуру покриттів і схему розширення та стиснення світлових імпульсів. В роботах [11, 20, 21, 25, 27, 36, 38, 43, 48 - 52] розраховано параметри багатошарових структур, проведено моделювання, оптимізацію, синтезовано і виготовлено багатошарові дисперсійні дзеркала з унікальними дисперсійними параметрами. В роботі [12] запропоновано метод створення, проведено розрахунки, моделювання, синтез, виготовлено високо дисперсійні дзеркала, експериментально реалізовано керування дисперсією фемтосекундного лазеру. В роботі [13] запропонована ідея часового підходу до синтезу дисперсійних дзеркал, здійснювалося загальне керівництво. В роботі [14] знайдено розв'язок оберненої спектральної задачі для створення дисперсійної багатошарової структури з робочим діапазоном в 1,5 октави. В роботі [15] проведено моделювання впливу початкової конструкції в задачах оптимізації структури на характер часової залежності групової затримки.

В роботі [16] створено програмне забезпечення моделювання ефекту суперпризми в багатошарових структурах. В роботах [17, 18] висунуто ідею про можливість отримання дисперсії, що вище передбаченої емпіричною теорію, отримано структури трьох дисперсійних дзеркал. В роботах [19, 46] запропоновано метод створення, розраховано, оптимізовано, виготовлено та виміряні характеристики високо дисперсійних дзеркал. В роботі [22] розраховано структуру і виготовлено дисперсійні дзеркала з низькими осциляціями дисперсії. В роботах [23, 24, 47] знайдено і розраховано структуру дисперсійних дзеркал для установки з генерації аттосекундних імпульсів. В роботі [26] синтезовано і виготовлено послідовність чирпованих дзеркал для дослідження режимів генерації фемтосекундних імпульсів. В роботі [28] розроблено технологію виготовлення дисперсійних структур на основі HfO2/SiO2 методом магнетронного нанесення шарів в високому вакуумі. В роботі [29] розраховано і виготовлено смугові інтерференційні фільтри, теоретично і експериментально показано перевагу технології двокомпонентних структур. В роботі [30] отримано технологічні режими нанесення плівок оксиду гафнію в системах з магнетронним випаровуванням. В роботі [31] запропоновано ідею, теоретично розраховано і виготовлено чирповані дзеркала для стиснення ультракоротких світлових імпульсів до тривалості менше 3 фс. В роботах [32, 53] проаналізовано особливості технології створення багатошарових дисперсійних структур для оптики ультракоротких імпульсів. В роботах [35, 45] розраховано, оптимізовано і виготовлено дисперсійну частину гібридного компресору. В роботах [37, 39, 40] встановлено структуру, проведено моделювання властивостей, оптимізацію, виготовлено дисперсійні дзеркала для систем стиснення потужних кілька періодних імпульсів. В роботі [41] запропоновано ідею створення високо дисперсійних дзеркал для вакуумного ультрафіолету з високою променевою міцністю. В роботі [44] висунуто ідею, проведено розрахунки, моделювання, виготовлено дисперсійні структури для стиснення імпульсів в системах підсилення і генерації гармонік.

Достовірність і надійність результатів забезпечена застосуванням сучасних методів теоретичних розрахунків, сучасних експериментальних методів, виготовленням синтезованих систем, спектральні характеристики яких практично повторюють результати теоретичного розрахунку.

Апробація результатів дисертації. Результати досліджень, що ввійшли в дисертацію, доповідалися і обговорювалися на 20 міжнародних конференціях: The International conference on optical thin film and coating technology “FOC 2009. Frontiers of optical coatings”, (XiAn, China, October 2009); Conference on Laser Damage (Boulder, Colorado, USA, September 2009); Conference on UtraFast Optics (UFO VII) and High Field Short Wavelength (HFSW XIII) (Arcachon, France, August-September 2009); European Conference on Laser and Electrooptics and the European Quantum Electronics Conference (CLEO/Europe-EQEC, Munich, Germany, June 2009); Conference on Lasers and Electro-Optics (CLEO) (Baltimore, Maryland, USA, May 2009); Photonics Congress Advanced Solid-State Photonics (Denver, Colorado, USA February 2009); Conference of SPIE Europe Optics+Optoelectronics (Prague, Czech Republic, April 2009); XVI International Conference on Ultrafast Phenomena (Stressa, Italy, June 2008); Conference Advances in Optical Thin Films III (Glasgow, Scotland, September 2008); European Conferenceon Lasers and Electro-Optics (CLEO_E) (Munich, Germany, June 2007); Conference on Frontiers in Optics (San Jose, California, USA, September 2007); Conference on Optical Interference Coatings (Tuscon, Arizona, USA, June 2007); Conference on Lasers and Electro-Optics (CLEO) (Baltimore, Maryland, USA, May 2007); Conference Photonic West (San Jose, California, USA, January 2007); Conference on Lasers and Electro-Optics (CLEO) (Long Beach, California, USA, May 2006); Conference on Biomedical Optics (Fort Lauderdale, Florida, USA, March 2006); International Conference on Coherent Control of the Fundamental Processes in Optics and X-ray-Optics (CCFP'2006)(Nizhny Novgorod, Russia, June 2006); International Conference on Laser Optics (LO'2006) (St.-Petersburg, Russia, June 2006); 10th international conference on multiphoton processes ( Manoir des Sables in Orford, Quebec, Canada, October 2005); International Conference “Optical system design, Advances in Optical Thin Films II” (Jena, Germany 2005);

а також на наукових семінарах відділу фотоактивності і лабораторії лазерних середовищ інституту фізики НАНУ (грудень 2007), кафедри фізичної електроніки радіофізичного факультету Київського національного університету імені Тараса Шевченка (квітень 2008, квітень 2009), на загальноінститутському науковому семінарі “Фізика конденсованого стану. Лазери” Інституту фізики НАНУ (23.12.2009).

Публікації. Основні результати дисертації опубліковано в 55 працях; з них 2 - монографії, 1 - навчальний посібник, 43 - наукові статті (з яких 28 в реферованих фахових журналах, 15 в збірках праць і матеріалах конференцій), 9 - тези доповідей на міжнародних конференціях.

Структура дисертації. Дисертація викладена на 368 сторінках манописного тексту і складається з вступу, 9 розділів основного змісту на 303 сторінках, включаючи 145 рисунків і 5 таблиць, висновків та списку використаних джерел з 493 найменувань на 44 сторінках.

інтерференційний наноструктура дисперсія затримка

Короткий зміст роботи

У вступі обгрунтовано актуальність теми, сформульовано мету та основні задачі, описана наукова новизна і практичне значення отриманих результатів.

У першому розділі наведено короткий літературний огляд робіт, присвячених проблемам поширення ультракоротких світлових імпульсів в дисперсійних середовищах та методам отримання фемто- і аттосекундних імпульсів. Показано, що аттосекундна наука _ це революція в технології. Вона поєднує оптику і науку про зіткнення, суттєво збагачуючи кожну з них. В фізиці зіткнень і рентгенівській фізиці раніше панували усереднені в часі вимірювання, тепер можна говорити про часову залежність багатьох механізмів. Теорії, залежного від часу розсіяння, необхідні для доповнення теорій, що враховують часові зміни, для опису аттосекундних експериментів. Говорячи про перспективи оптики, потрібно відзначити про можливість зображення положення обох основних інгредієнтів речовини - ядра і електрону - в субатомному масштабі одночасно в просторі і часі в будь-якому перехідному стані речовини. Це новий поштовх для розвитку фізики, хімії, біології і майбутніх технологій. Вирішення багатьох проблем аттосекундної фізики суттєво залежить від прогресу в синтезі та виготовленні дисперсійних дзеркал з унікальними характеристиками, що вирішать проблему дисперсійного контролю і формування хвильових пакетів заданої форми.

У другому розділі розглядаються методи діагностики ультракоротких імпульсів, які використовувалися в роботі. Для вимірювання енергії, потужності, спектру і просторового розподілу ультракоротких лазерних імпульсів використовується стандартна лазерна діагностична техніка. Для вимірювання тривалості імпульсів або, що важливіше, часового розподілу амплітуди і фази ультракороткого лазерного імпульсу за останні 15 років були розроблені спеціальні методи, що дозволяють отримувати інформацію про фазу. Оскільки часові і частотні області зв'язані перетвореннями Фур'є, то достатньо виміряти амплітуду і фазу лише в одній з областей. Розглянемо стисло частотну область. Усі спектрометри, незалежно від того, базуються вони на пристроях з дифракційною граткою або Фур'є перетворювачах, вимірюють величину, пропорційну спектральній інтенсивності і тому при цьому втрачається фазова інформація. З іншого боку, безпосереднє використання електронних приладів для вимірювань тривалості імпульсів, таких як швидкісні фотодіоди і швидкісні широкосмугові осцилографи, обмежено режимом кількох піко секунд. Тому, швидкісні фотодіоди не підходять для запису часового профілю ультракоротких лазерних імпульсів. Часто вони використовуються для перевірки роботи синхронізації мод ультра швидких лазерів або для виводу сигналів синхронізації при регулюванні підсилення або в експериментах по синхронізації мод. Існує детектор, часова роздільна здатність якого менше 1 пікосекунди, це електронно-оптична камера з швидкісною розгорткою або електронно-оптичний фотохронограф (стрік-камера). Комерційно виготовляються прилади з часовою роздільною здатністю <200 фс. Використовуючи різні матеріали фотокатодів можна досягти спектральної чутливості від 115 нм до 1600 нм. Відомі також рентгенівські стрік камери з роздільною здатністю 1,5 пікосекунди.

Для характеристики ультракоротких лазерних імпульсів по амплітуді і фазі потрібна техніка оптичної кореляції, особливо методи, що працюють в частотно-часових діапазонах. Проблема у тім, що для вимірювання коротких подій в часі необхідні часові проміжки, значно коротші за вимірювані. Яким же чином виміряти найкоротші події? Автокореляція по інтенсивності була першою спробою виміряти часову залежність інтенсивності ультракоротких імпульсів. В 1960-х вже було відомо, що немає більш коротких подій, ніж ультракороткі імпульси. І автокореляція стала результатом спроб використання самого імпульсу для вимірювання часового розподілу його інтенсивності. Метод передбачав розщеплення імпульсу на дві копії так, що вони були рознесені в часі і просторово перекривалися в певному нелінійно-оптичному середовищі з миттєвим відгуком, наприклад, в кристалі для генерації другої гармоніки. Намагання отримувати інформацію про фазу привели до розробки техніки частотно-роздільного оптичного стробування в різних модифікаціях та різноманітних методів спектрально-фазової інтерферометрії для прямої реконструкції електричного поля. Потрібно відзначити, що вирішення проблеми вимірювання параметрів ультракоротких імпульсів було і залишається актуальним, про що свідчить постійне намагання багатьох дослідників удосконалювати вже відомі та розвивати нові методи характеризації ультракоротких імпульсів.

У третьому розділі розглядаються основні проблеми, що виникають при синтезі широкосмугових покриттів для компенсації дисперсії. Зокрема, обговорюються методи подолання звичайних обмежень спектру чирпованих дзеркал та розширення їх до оптичної октави та більше.

Принцип дії чирпованих дзеркал представлений на рис.1.

Дзеркало утворено чергуванням діелектричних шарів з низьким та високим показниками заломлення, товщина яких монотонно змінюється вздовж стопи. Відповідно, з довжиною хвилі змінюється класична точка повороту відбитого світла. Схематично зображено відбиття двох різних Фур'є компонент 1 та 2, між якими виникає групова затримка GD. Наслідком є дисперсія групової затримки у дзеркалі GDD = GD/(2_1). В чирпованому дзеркалі Бреггівські довжини хвиль окремих шарів систематично змінюються з номером шару. Наприклад, для компенсації позитивної дисперсії матеріалу, яка призводить до того, що більш коротко-хвильові (щ2) Фур'є-компоненти імпульсу відстають від більш довго-хвильових (щ1), необхідно, щоб більш короткохвильове світло (щ2 > щ1) відбивалось ближче до входу в дзеркало, в той час як більш довгохвильове світло має відбиватися значно глибшими шарами, ближчими до підкладки. Очевидно, що така концепція не обов'язково має бути обмеженою лінійною варіацією Бреггівської довжини хвилі із номером шару - можливою залежністю є довільна функція однієї змінної, яка придатна для компенсації високо поліноміальних дисперсійних залежностей. Величина дисперсії, проте, залежить від довжини оптичного шляху L() всередині стопи дзеркала. Треба відзначити, що ДL - оптична довжина шляху, що враховує показники заломлення шарів. Для діапазонів 150-300 нм Ti-сапфірового лазера, GDD = 50-100 фс2 - розрахункова дисперсія, яку можна компенсувати за одне відбиття чирпованим дзеркалом. Очевидно, це є відносно мале значення, яке відповідає 2-3 мм оптичного скла. Ясно, що для компенсації дисперсії після проходження більш ніж міліметрових довжин лазерних кристалів, метрів повітря і міліметрів скла всередині резонатору необхідно кілька відбивань від такого дзеркала. Нажаль, ефект залежності глибини проникнення від довжини хвилі - не єдиний ефект, який впливає на дисперсію в багатошарових структурах. Інтерференція багатьох променів, що виникає на межі між повітрям та дзеркальною стопою, також вносить вклад у дисперсію. неоднорідність спектральної фази та виникнення сателітів - лише два аспекти небажаних інтерференційних ефектів, що виникають в дзеркалі. Чим більші осциляції дисперсії, тим потужніші сателіти будуть виникати. З додатковим анти відбивальним шаром, втрати з основного імпульсу у сателіти зменшуються до 2•10-4 при кожному відбиванні, що дозволяє зробити до 100 відбивань, поки втрати енергії призведуть до значного послаблення основного імпульсу.

Першим результатом розуміння неоднорідності дисперсії було подвійно-чирповане дзеркало (рис. 2). Таке дзеркало складається з трьох основних функціональних блоків. Першим є антивідбивальне покриття - воно дозволяє виключити найбільшу частину неоднорідності дисперсії. Але ще необхідно створити адіабатичну секцію із змінною провідністю в стопі дзеркала. Це досягається подвійним чирпуванням перших кількох пар шарів (які видно із оточуючого середовища; рис. 2). Осциляції дисперсії і їх подавлення є ключовими питаннями виготовлення і застосування дзеркальних покриттів в лазерах ультракоротких імпульсів. Ці осциляції виникають внаслідок інтерферометричних ефектів всередині багатошарової структури та інтерференції між потоками, відбитими від передньої межі поділу (межа зовнішнє середовище - багатошарова структура) і високо відбивального багатошарового дзеркала. На подоланні цього ефекту зосереджена увага досліджень в цій області. Відомі кілька методів синтезу чирпованих дзеркал з малими осциляціями дисперсії в діапазоні до одної октави і в роботі показано, що цей діапазон може бути розширений до 1,5 октави. Застосування таких дзеркал дозволяє отримувати рекордно короткі світлові імпульси. Створення чирпованих дзеркал з робочим діапазоном більше одної октави дозволяє досягати фізичної межі тривалості ультракоротких імпульсів (один чи два цикли коливань поля). Можливості генерації і контролю таких ультракоротких імпульсів суттєво залежать від удосконалення технології синтезу і виготовлення широкосмугових високо дисперсійних дзеркал.

У четвертому розділі розглянуто, яким чином синтезувати тонко-плівкові багатошарові структури, що розділяють світловий потік по довжинам хвиль за рахунок просторової дисперсії. Це дозволяє створювати компактні хвильові розгалужувачі і з'єднувачі, а також пристрої керування світловими потоками та пристрої з дисперсійним керуванням. Розглянуто 4 способи синтезу структур з високою просторовою дисперсією. Продемонстровано сильну просторову дисперсію періодичних тонко-плівкових структур, поблизу меж стоп-зон, як теоретично, так і експериментально. Періодичні структури з двома шарами в періоді не мають достатньої кількості ступенів вільності для синтезу структур з бажаними дисперсійними характеристиками, а саме лінійного зміщення з довжиною хвилі. Вважаючи приблизно пропорційними просторову і часову дисперсію, можна модифікувати методи, що використовуються для компенсації часової дисперсії, для отримання просторової дисперсії. Залежна від довжини хвилі глибина проникнення в подвійно чирпованих структурах може бути використана для отримання просторової дисперсії, і ці структури особливо корисні для широкосмугових конструкцій. Нерезонансне накопичення енергії вносить важливий вклад в зміщення, а отримане зміщення не може бути пояснене чисто геометричними ефектами. Структури зв'язаних резонаторів використовують залежність від довжини хвилі кількості накопиченої енергії для отримання дисперсії і є ефективними для вузько смугових конструкцій. Структури, у яких використовується комбінація залежних від довжини хвилі точок повороту і накопичення енергії, можна синтезувати методами чисельної оптимізації. Повна величина зміщення може бути значно підвищена багаторазовим проходженням структури. В неперіодичних структурах досягається зміщення, що можна порівняти зі зміщенням для періодичних структур. Але теж саме зміщення отримується з меншою кількістю шарів, і лінійно залежить від довжини хвилі, що більш необхідне в практиці. Окрім того, неперіодичні структури мають суттєво менші втрати, оскільки усі відбивання (тобто відбивання від передньої поверхні) подавлені. Це свідчить про значний потенціал неперіодичних структур, як компактних дисперсійних пристроїв. Тонко-плівкові структури з високою просторовою дисперсію цікаві з точки зору змішування і розщеплення світлових потоків, та виготовлення пристроїв змішування і розщеплення потоків. Просторова дисперсія може також бути конвертована в кутову дисперсію лінзами в послідовності з структурою. Такі пристрої можна використовувати для керування хвилевою залежністю потоків. Майбутні інтегральні фотонні системи повинні використовувати розглянуті концепції для отримання просторової дисперсії. Окрім того, розглянуті ідеї для одновимірних тонко-плівкових структур можуть бути використані для дво- та тривимірних структур. Двовимірні фотонно-кристалічні структури, виготовленні літографією, зовсім не вичерпують періодичні структури. Як було показано на одновимірних структурах, порушення періодичності приводить до більшої свободи синтезу і цікавої нової фізики. Створення дво- і тривимірних структур з бажаними характеристиками є складною задачею. Структури з зв'язаними резонаторами, синтезовані методами цифрових граток, можуть бути відправною точкою при синтезі більш багатовимірних структур з зв'язаними резонаторами.

Показано, що емпірична модель, яка дозволяє оцінити параметри багато-шарової структури, і забезпечує отримання бажаної часової або просторової дисперсії, дає суттєво занижені максимальні значення досяжних групової затримки і просторового зсуву. Це можна пояснити недосконалістю оптимізаційних процедур, використаних в роботах наших попередників для визначення параметрів багатошарової структури. Крім того, можна також стверджувати, що і отримані в даній роботі значення групової затримки і просторового зсуву не є максимально досяжними для заданого спектрального діапазону, хоча вони і суттєво перевищують відповідні значення, передбачені емпіричною моделлю. Лише в випадку вирішення проблеми пошуку глобального мінімуму багато параметричної функції можна буде з впевненістю говорити про синтез багатошарових структур, що дозволять отримувати максимально досяжні значення часової і просторової дисперсії.

У п'ятому розділі розглядається новий часовий підхід, що дозволяє синтезувати дисперсійні дзеркала, придатні для контролю відбитого імпульсу за тривалістю та концентрацією енергії. В основних алгоритмах синтезу дисперсійних дзеркал, розвинутих за останні 15 років використовуються фазові мішені. Це притаманно для синтезу: i) подвійно-чирпованих дисперсійних дзеркал, ii) дисперсійних дзеркал під кутом Брюстера, iii) з покриттям на задній поверхні, iv) дисперсійних дзеркал з нахиленим переднім інтерфейсом, v) комплементарних пар. Проте, розвиток фемто- і аттосекундних технологій вимагає вирішення ряду проблем, таких як: i) прямий контроль кілька періодних імпульсів за допомогою дисперсійних дзеркал; ii) розробка швидких алгоритмів оптимізації конструкції дисперсійних дзеркал; iii) досягнення максимальної ефективності дисперсійних дзеркал при найменшій чутливості до похибок в шарах багатошарової структури. Остання проблема безпосередньо пов'язана з технологічними обмеженнями виготовлення дисперсійних дзеркал: при меншій чутливості до похибок шарів дзеркала, можна досягти майже повної ідентичності спектральних характеристик розрахованої і виготовленої структур. Вирішення другої проблеми, розробка швидких алгоритмів оптимізації, дозволяє суттєво скоротити час розрахунків: від днів до годин. Для вирішення першої і найбільш критичної проблеми надзвичайно важливим є питання мішені, тобто який фізичний параметр, що характеризує дисперсійне дзеркало, потрібно оптимізувати: фазу, групову затримку, дисперсію групової затримки чи форму відбитого імпульсу? Відповідь не може бути однозначною і залежить від наступних аспектів, що можуть бути досягненні: 1) виготовлення дзеркал, які можуть працювати з довільним спектром лазерного випромінювання (за звичай це досягається за допомогою використання в якості мішені фазових характеристик); 2) виготовлення дзеркал, які можуть дати найкоротший імпульс (за звичай досягається за допомогою, оптимізації фазових характеристик або форми відбитого імпульсу); 3) виготовлення дзеркал, які дають імпульс з максимальною концентрацією енергії в основному імпульсі (за звичай досягається за допомогою, оптимізації фазових характеристик або форми відбитого імпульсу). Кілька методів характеризації придатні для контролю відхилень параметрів виготовленого дзеркала від сконструйованого. Для перевірки виготовленого дзеркала, останнє встановлюють в оптичну схему системи (наприклад, компресор) і потім аналізують вихідний імпульс за допомогою одного з наступних методів. SPIDER і FROG дозволяють вимірювати зміни фази після відбивання, інтерферометр білого світла - групову затримку і дисперсію групової затримки, автокорелятор - тривалість імпульсу. Найчастіше експериментатору необхідно порівняти тривалості вхідного імпульсу, що потрапляє на дисперсійне дзеркало, і вихідного, що відбивається дзеркалом. Найкоротший відбитий імпульс відповідає кращому виконанню дисперсійного дзеркала, яке одразу визначає безпосередньо функцію якості дисперсійного дзеркала: співвідношення тривалості вихідного і вхідного імпульсів. Чим нижче це співвідношення, тим краще дисперсійне дзеркало. Загалом, використання дисперсії групової затримки в якості мішені не обов'язкове, навіть більше, дисперсія групової затримки є характеристикою, яка описує властивості імпульсу лише наближено. Чому ж саме на оптимізації цього параметру побудовані сучасні алгоритми? Можливо це пов'язано з тим, що такий підхід дає можливість безпосередньої оцінки тривалості імпульсу після відбивання, оскільки фазові параметри вхідного імпульсу звичайно характеризуються в GDD. Тим не менш, цей аргумент не достатньо вагомий, щоб використовувати GDD як мішень і надалі. Інші характеристики також можуть бути використані як мішені. Потрібно зазначити, що підчас використання в якості мішені фазових характеристик, розв'язується не прямо поставлена фізична задача. Остаточна ціль - це короткий імпульс, який може бути досягнутий у випадку плоско-нульової фази цього імпульсу. Якщо можна отримати плоску фазу, то, як результат, можемо отримати найкоротший імпульс. Але теоретично не можливо повністю компенсувати фазу імпульсу, тому завжди отримується імпульс з тривалістю, більшою від ідеальної. Використовуючи фазові характеристики не можна контролювати такі важливі параметри імпульсу, як концентрація енергії та тривалість.

Часовий підхід базується на новому формулюванні функції якості, яка містить енергію вихідного імпульсу і її концентрацію. Алгоритм синтезу дисперсійного дзеркала базується на потужній і перевіреній техніці голчатої оптимізації. Постановка задачі часового підходу полягає в наступному.

Припустимо, що імпульс, який входить в компресор з дисперсійних дзеркал, має відомі характеристики. Тобто, спектральна інтенсивність і відповідні фазові характеристики задані. Найчастіше фазова характеристика представляється дисперсією групової затримки (GDD, друга похідна від зміни фази по частоті) або груповою затримкою (GD, перша похідна від зміни фази по частоті). Виконавши інтегрування, можна легко отримати фазу імпульсу, як функцію частоти . Таким чином припускаємо, що вхідний імпульс можна описати виразом . Константами інтегрування можна знехтувати, оскільки вони впливають лише на положення імпульсу на часовій шкалі, а не на його форму, згідно теорії Фур'є перетворень. Компресор на дисперсійних дзеркалах звичайно складається з пари чирпованих дзеркал, а імпульс відбивається разів від цих дзеркал при відомій поляризації і куті падіння . Далі припустимо, що дзеркала ідентичні. Тоді на виході компресора отримаємо , де _ амплітудний коефіцієнт відбивання дисперсійного дзеркала. Припустимо, що показник заломлення підкладки , показники заломлення матеріалів шарів і відомі. Якщо товщини шарів , , з яких складається дзеркало відомі, то можна розрахувати амплітудний коефіцієнт відбивання дзеркала для будь-якої частоти . Ці розрахунки можна виконати за допомогою добре відомих рекурентних формул Абеле або рекурентних формул Маклауда, які з математичної точки зору еквівалентні і прямо отримуються з рівнянь Максвелла. Часова форма вихідного імпульсу отримується за допомогою Фур'є перетворення

.

Тобто маємо так звану пряму задачу, яка дозволяє встановити часову форму вихідного імпульсу для будь-яких заданих параметрів вхідного імпульсу і дисперсійних дзеркал, з яких складається компресор. Проблема синтезу дисперсійного дзеркала формулюється як задача знаходження товщин , та кількості шарів при яких дзеркало забезпечує бажані часові властивості імпульсу. Поки що, нас не цікавить в деталях форма вихідного імпульсу. Головна мета - сформулювати більш загальний критерій, що дозволить вирішити проблему синтезу і забезпечить усі необхідні часові властивості вихідного імпульсу. Перша вимога полягає в отриманні як можна коротшого імпульсу на виході компресора. Ця вимога формалізується за допомогою вимірювання концентрації енергії Д, яку можна ввести як другий центральний момент від :

, , .

визначає центр функції , яка визначається як перший момент. Величина є нормалізованою константою, - параметр. Малі значення Д відповідають високій концентрації енергії імпульсу поблизу його центру . На жаль, рівень енергії в області високої її концентрації може виявитися дуже малим і тому потрібно модифікувати критерій, додавши другу вимогу. Друга вимога полягає в отриманні максимально високої енергії вихідного імпульсу після стиснення. Ця вимога може бути врахована наступною модифікацією критерію: Якщо параметр q > 1, то друга вимога враховується функцією якості Ц. безперечно, значення збільшується при збільшенні середньої енергії вихідного імпульсу . Внаслідок цього при q > 1 функція якості Ц зазнає додаткового зменшення із збільшенням середньої енергії вихідного імпульсу. Введення двох параметрів p і q підвищує гнучкість методу. Відзначимо, що випадок p 2 має простий фізичний сенс. В цьому випадку EE2 є середньою енергією імпульсу, t0 його центр, що визначається у відповідності з розподілом енергії, а Д безпосередньо визначає концентрацію енергії.

Запропонований часовий підхід оптимізації структури дисперсійних дзеркал демонструє певні переваги над традиційними методами: дизайн дисперсійних дзеркал для стиснення суб-5-фс імпульсів вимагає менше часу, містить суттєво меншу кількість шарів, характеризується високим відбиванням завдяки більш ефективній концентрації енергії в імпульсі. Одним з факторів, що пов'язані з розрахунковими перевагами, є використання в часовому підході лише малих порядків похідних фази, внаслідок чого усі розрахунки стають простішими. Інший фактор, пов'язаний з використанням нової оптимізаційної мішені, яка безпосередньо враховує кінцеві вимоги до властивостей вихідного імпульсу в часовому масштабі.

Порівняння запропонованого часового підходу з традиційними методами оптимізації з використанням фазової мішені показує більш високу гнучкість часового підходу для контролю тривалості імпульсів і більш ефективну концентрацію енергії імпульсу. Дисперсійні дзеркала, оптимізовані за часовим підходом простіше виготовляти і вони виявляють значно вищу стабільність при певних відхиленнях вхідного спектру. Можна сподіватися, що часовий підхід має потенційні можливості для отримання ультракоротких імпульсів з тривалістю менше 5 фс.

У шостому розділі детально розглядаються дві проблеми: 1) новітня концепція подавлення осциляцій GDD; 2) створення дисперсійних дзеркал з контрольованою дисперсією в діапазоні 1,5 октави, що робить можливим стиснення імпульсів до тривалості менше 3 фс.

Стосовно першої проблеми слід відзначити, що новітня концепція подавлення осциляцій базується на використанні комбінації ідентичних дисперсійних дзеркал при двох або більше різних кутах падіння. Застосування концепції дисперсійних дзеркал з двома робочими кутами забезпечує: i) підвищену стабільність виготовлення в порівнянні з традиційними методами створення комплементарних пар; ii) точний контроль GDD при генерації спектрально-обмеженого імпульсу в кілька-періодному режимі; iii) зменшення вартості в порівняні з традиційним методом створення комплементарної пари, який вимагає проведення двох точно узгоджених циклів виготовлення багатошарових структур. Завдяки вибору кутів падіння і застосування спеціально адаптованої техніки голчатої оптимізації було синтезовано, виготовлено і експериментально досліджено характеристики дисперсійних дзеркал з двома робочими кутами, які характеризуються дуже низькими сумарними осциляціями GDD. Щоб продемонструвати переваги нового підходу, створенні дисперсійні дзеркала використовували для стиснення імпульсів, спектрально розширених в дірчавому волокні, до тривалості 4,3 фс, що дуже близько до їх теоретичної межі в 4,2 фс. Для більш ефективного подавлення залишкових осциляцій GDD або збереження їх на тому ж рівні при збільшенні спектрального діапазону можна використати схему, в якій використовуватимуться дисперсійні дзеркала з більш, ніж двома робочими кутами. Можливий також альтернативний шлях покращення характеристик компресорів на дисперсійних дзеркалах, оснований на поєднанні підходів дисперсійних дзеркал з двома робочими кутами і часової оптимізації. Можна сподіватися, що представлена концепція сприятиме розвитку компресії оптичних імпульсів до їх фізичної межі при суттєвому спрощенні і здешевленні таких пристроїв.

При розгляді другої проблеми було показано, що цілком реально як чисельно (теоретично), так і експериментально створювати чирповані дзеркала з контрольованим відбиванням і дисперсією в діапазоні 1,5 оптичної октави. Зокрема, вдалося розрахувати і виготовити комплементарну пару таких дзеркал з середнім відбиванням в діапазоні 400 - 1200 нм вище 97% і залишковими осциляціями дисперсії групової затримки менше 100 фс2 в усьому діапазоні. Така пара дзеркал дозволяє компенсувати чирп відповідного спектру (при гладкій фазі) і досягти стиснення імпульсів до тривалості менше 3 фс. Запропоновано два різних підходи до синтезу ультра широких дисперсійних дзеркал. В випадку наближення з GDD мішенню, основний недолік полягає в флуктуаціях усередненої величини дисперсії біля величини мішені. В часовому масштабі це означає, що значна кількість енергії передається від імпульсу його сателітам вже після одного відбивання. Використання GD в якості мішені для оптимізації дозволяє уникнути флуктуацій усередненої величини GDD. В результаті відбитий імпульс ширший лише на 6% за той, що падає, навіть при 10 відбиваннях і зберігає ~50% початкової енергії. Можна стверджувати, що це наближення ще не є межею. Використання комбінації матеріалів з більшою різницею показників заломлення і вища точність нанесення разом з подальшим розвитком математичних методів синтезу розширять досягнуту межу в 1,5 октави до двох октав.

У сьомому розділі детально описано синтез унікальних високо дисперсійних дзеркал (high-dispersion mirrors - HDM) та створення ефективних компресорів ультракоротких імпульсів для підсилювачів чирпованих імпульсів (Chirped-pulse amplifiers _ CPA). Останні дозволяють отримувати фемтосекундні лазерні імпульси з міліджоульною енергією, кілогерцовою частотою повторення, і є одною з основних робочих конячок в нелінійній оптиці, фемто- та аттосекундній фізиці. Для функціонування CPA необхідні переважно складні, з керованою чутливістю розширювачі і/або компресори, які, нажаль, можуть приводити до певних втрат енергії. В даному розділі показано, що еволюція в технології дисперсійних багатошарових дзеркал досягла своєї кульмінації в створенні унікальних HDM з низькими втратами, здатними замінити призми і частково дифракційні гратки в традиційних CPA системах. Перевагою HDM є також їх здатність забезпечити контроль дисперсії вищих порядків. Велика дисперсія, порівняно з дисперсією CPA систем, також необхідна для роботи високоенергетичних лазерних осциляторів (генераторів) в енергетичному режимі мікроджоулів. Вони працюють в режимах з позитивною або негативною внутрішньо резонаторною дисперсією групової затримки, що вимагає введення елементів з значною за величиною негативною GDD для зовні резонаторної компенсації або стабілізації внутрішньо резонаторного формування одинарних імпульсів, відповідно.