Güç ve nabız genişliği ikilemi? 100 TW Peak Power 4.3 fs Sub - bipolar lazer darbelerinin dalga formunun tarla sentezi yoluyla kontrol edilmesi
Madde ve ultrafast dinamik süreçlerin aşırı durumlarını keşfetmek için temel bir araç olarak, femtosaniye ultra - Kısa lazer nabız teknolojisi, modern optiklerde bir kesme - kenar odak noktası olarak kalmıştır. Son zamanlarda, İsveç'teki Umeå Üniversitesi ve Macaristan'daki Eli Alps Araştırma Merkezi'nden uluslararası bir araştırma ekibi, gelişmiş optik parametrik ephirasyon scheMes teknolojisi ve cömert scheMes kullanılarak geleneksel ultra - kısa nabız lazer sistemlerini başarıyla çözdü. 100 TW pik gücü ve sadece 4.3 fs nabız süresi ile - iki - döngü lazer çıkışını elde ettiler. Bu çalışma, bir sonraki - nesil Attosecond Science, göreceli lazer plazma fiziği ve aşırı optikler için kritik teknolojik destek sağlar. "Dalga formu - 100 TW pik güç seviyesinde iki - döngü darbelerinin kontrollü alan sentezi" başlıklı çalışma, Nature Photonics'in son sayısında yayınlandı.
"En kısa" "en güçlü" buluştuğunda: - nabız genişliği ticaretinin çözülmesi - kapalı
UltraFast Lazer Teknolojisi son birkaç on yılda iki yönde gelişerek önemli ilerleme kaydetti: bir yandan, aşırı fiziksel koşullar yaratmak için daha yüksek zirve gücü takip etmek; Öte yandan, daha yüksek zamansal çözünürlük elde etmek için daha kısa nabız süreleri izlemek. Geleneksel lazer sistemlerinin fiziksel sınırlamaları bir "enerji tasarrufu yasası" gibi hareket eder: Daha kısa darbeler elde etmek için daha geniş bir spektral bant genişliği gereklidir, ancak çoğu lazer kazanç ortamının sınırlı bant genişliğine sahiptir; Daha yüksek güç elde etmek için, daha uzun amplifikasyon mesafeleri ve daha fazla enerji depolama gereklidir, bu da nabız sıkıştırma derecesini sınırlar.
Geleneksel titanyum safir lazer sistemleriyle karşılaştırıldığında, optik parametrik cıvıltı nabız amplifikasyonu (OPCPA) teknolojisi, daha geniş bir kazanç bant genişliğini destekleyerek alt - döngü darbelerini elde etmeyi mümkün kılar. Bununla birlikte, gerçekten 100 TW - seviyesi güç çıkışı elde etmek için OPCPA teknolojisi çok sayıda teknik zorlukla karşı karşıyadır: Ultra - geniş bant genişliğini korurken verimli enerji amplifikasyonu nasıl elde edilir? Taşıyıcı zarf fazının (CEP) uzun - terim kararlılığı nasıl sağlanır? - darbe parazitinden kaçınmak için yeterince yüksek zamansal kontrast nasıl elde edilir?
Bu araştırma çalışmasında, yazar ekibi iki yönden yenilik yaptı: tutarlı alan sentezi ve gelişmiş OPCPA tasarımı, - nabız genişliği ticareti - kapalı gücü, faz stabilitesi ve geleneksel ultra -}}}}}}} Kısa nabız lasers tarafından karşılaşılan zamansal kontrast gibi temel teknik zorlukları sistematik olarak ele alıyor.
Tutarlı alan sentezi ve gelişmiş OPCPA tasarımı
Sub - bipolar ultra - kısa darbeler oluşturmak için, önce yeterince geniş bir spektral bant genişliği üretmek gerekir. Ekip, tüm spektral aralığın (580-1020 nm) ayrı amplifikasyon için iki tamamlayıcı bölgeye bölünerek seri tutarlı alan sentez teknolojisi kullandı ve ardından tutarlı sentez. Şekil 1'de gösterildiği gibi, ekibin ışık dalgası sentezleyici 100 (LWS100) sistemi üç - aşama geliştirilmiş OPCPA yapısı kullanır. Her aşama iki optik parametrik amplifikatör içerir: biri kırmızı ışık bölgesini (700-1020 nm) yükseltmekten sorumlu 532 nm ikinci harmonik üretim tarafından pompalandı; ve mavi ışık bölgesini (580-700 nm) amplifiye etmekten sorumlu, üçüncü harmonik tarafından 355 nm'de pompalandı. Bu tasarım, farklı frekans bileşenleri arasındaki faz tutarlılığını korurken, her spektral bileşenin etkin bir şekilde amplifikasyonunu sağlarken, bir orkestranın farklı bölümlerini ayrı ayrı eğitmeye benzer şekilde segmentli amplifikasyon sağlar.
Şekil 1 LWS100 Geliştirilmiş OPCPA'nın kurulumu
Sistem, doğrusal olmayan ortam olarak - Faz - eşleştirilmiş bor - katkılı baryum borat (BBO) kristallerini kullanır. Araştırma ekibi, farklı dalgalanmalarda senkronize edilmiş amplifikasyonu sağlamak için - eşleşen açıyı (mavi ışık bölgesi için {= 34.54 derecesini ve kırmızı ışık bölgesi için=23.73 derecesini) ve - derecesini ve - derecesini, farklı dalgalanma.
Şekil 2 LWS100'de spektral ölçüm (a) ve simülasyon (b) evrim
Birden çok veri metriki olağanüstü sistem performansını ortaya çıkarır
Aşırı odaklanma ve yoğunluk atılımı
The typical spectrum of the LWS100 on a linear scale is shown in Figure 3, with a central wavelength of 780 nm. The corresponding time intensity shown in Figure 3(b) has a full width at half maximum (FWHM) duration of 4.3 fs, equivalent to 1.67 optical cycles, thus approaching the Fourier limit within a 2–3% range. This short duration confirms coherent field synthesis from two spectral ranges at the 100 TW power level, where each range alone could only support longer pulses (>7 fs).
Şekil 3 LWS100'ün spektral, zamansal ve mekansal özellikleri
Dalga formu stabilitesi ve kontrast
Sub - çift - döngü lazer darbeleri için, taşıyıcı zarf fazının (CEP) stabilitesi kritiktir. CEP, taşıyıcı ve zarf arasındaki göreceli faz ilişkisini açıklar ve küçük değişiklikler bile lazeri - madde etkileşim sürecini önemli ölçüde etkileyebilir. Ekip, fark frekans üretimi (DFG) sürecinden doğal faz kilitleme elde ederek pasif bir CEP - kararlı ön - son tasarımı benimsedi. Şekil 4'te gösterildiği gibi, sistem CEP stabilitesine ulaşır<100 mrad at the front end, and through feedback control, the overall system CEP stability reaches an excellent level of <300 mrad. During a continuous one-hour test, the system demonstrated outstanding long-term stability, with CEP drift consistently maintained within the 2π range, providing reliable assurance for attosecond science experiments requiring extremely high phase precision.
Şekil 4 LWS100'ün dalga formu stabilitesi ve kontrastı
Yüksek - güç lazer sistemleri için bir başka kritik metrik, ana darbe ile pre - darbe arasındaki yoğunluk oranı zamansal kontrast -. Tamamen OPCPA mimarisi ve optimize edilmiş bileşen düzeni aracılığıyla, sistem 11 büyüklük sırasını aşan zamansal kontrast elde eder. Özellikle, ilk - optik programlanabilir dispersiyon filtresi (Dazzler) ilk - aşama mavi ışık amplifikatöründen sonra, parametrik floresan üretimi etkili bir şekilde bastırılır, sistemin kontrast performansını önemli ölçüde arttırır.
Zamansal süper - çözünürlük
Her ne kadar 4,3 fs nabız süresi zaten fiziksel sınıra yakın olmasına rağmen, ekip temporal süper - çözünürlük teknolojisinin uygulama potansiyelini de gösterdi. 745-825 nm aralığında spektral olarak genliği şekillendirerek ve spektral bileşenlerin seçici olarak çıkarılmasıyla, nabız süresi 3.7 FS'ye düşürüldü ve gerçek sub-4 FS darbe çıkışına ulaştı. Sonuç olarak, tepe gücü ve tepe yoğunluğu orijinal nabzın% 40'ına düşürüldü, ancak 25 TW güç seviyesi çeşitli ultrafast spektroskopisini ve Attosecond Science deneylerini desteklemek için yeterli.
Şekil 5: Alt 4 FS darbeleri oluşturmak için LWS100 kullanan Super - çözünürlük
Çalışma, dalga formu kontrolü ve ultra - nispetivistik yoğunluk ile - çift - döngü darbeleri sağlayan gelişmiş bir optik parametrik cıvıltılı darbe amplifikatörü göstermektedir. Seri alan sentezi, spektrumun neredeyse bir oktav boyunca güçlü amplifikasyonunu joule - seviyesi enerji ile sağlar. Bu şekilde, 4.3 fs süresi olan 100 TW - seviye darbe, CEP stabilitesi ve 300 MRAD'ın altındaki RMS stabilitesi oluşturulmuştur. Makalenin yazarı, Tromsø Üniversitesi'nden Profesör Laszlo Veisz, "Bu teknolojinin atılımı, ilk -}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}} seviyesinin de, çok hızlı bir şekilde, çok hızlı bir şekilde, çok hızlı araştırma araçları sağlayan ve çoklu araştırma araçları sağlıyor. Attosecond fiziği, aşırı doğrusal olmayan optik ve göreceli plazma fiziği gibi. "
Araştırma ekibi, bu teknolojinin tekrarlama oranı, bant genişliği, nabız süresi ve enerji (daha büyük yanal boyutlara sahip diğer doğrusal olmayan kristaller kullanarak) açısından potansiyel ölçeklenebilirliğe sahip olduğunu belirtti. Gelecekte, seri alan sentezini ve dispersiyon kontrol tekniklerini geliştirerek, Petawatt tepe gücü ile alt - döngü darbeleri üretmek mümkün olabilir.
