Dylemat zasilania vs. szerokości impulsu? Kontrolowanie przebiegu 100 TW Moc 4,3 FS Podbipolarne impulsy laserowe poprzez syntezę pola
Jako podstawowe narzędzie do badania ekstremalnych stanów materii i ultraszybkich procesów dynamicznych, technologia pulsu laserowego femtosekundowego ultra-krótkiego pulsu laserowego pozostała najnowocześniejsza w nowoczesnej optyce. Niedawno międzynarodowy zespół badawczy z Umeå University w Szwecji i Centrum Badawcze Eli Alps na Węgrzech z powodzeniem rozwiązał kompromis szerokości szerokości mocy w tradycyjnych systemach laserowych o ultra-krótkim impulsach, stosując technologię technologii impulsów pulsowych i spółdzielczych. Osiągnęli wyjście laserowe pod dwoma cyklami o szczytowej mocy 100 TW i czas trwania impulsu wynoszącym zaledwie 4,3 fs. Ta praca zapewnia krytyczne wsparcie technologiczne dla nauki o attosekundowej nowej generacji, relatywistycznej fizyki laserowej plazmy i ekstremalnej optyki. Badanie, zatytułowane „Synteza polowa kontrolowana przez fali impulsów podwójnych cyklu na poziomie mocy 100 TW”, zostało opublikowane w najnowszym numerze Nature Photonics.
Kiedy „najkrótszy” spotyka się z „najsilniejszym”: rozwiązywanie kompromis
Ultraszybka technologia laserowa poczyniła znaczny postęp w ciągu ostatnich kilku dekad, ewoluując w dwóch kierunkach: z jednej strony, dążąc do wyższej siły szczytowej w celu stworzenia ekstremalnych warunków fizycznych; Z drugiej strony, dążąc do krótszego okresu trwania impulsu w celu osiągnięcia wyższej rozdzielczości czasowej. Fizyczne ograniczenia tradycyjnych systemów laserowych działają jak „prawo ochrony energii”: aby osiągnąć krótsze impulsy, wymagana jest szersza przepustowość spektralna, ale większość mediów z wzmocnieniem laserowym ma ograniczoną przepustowość; Aby osiągnąć wyższą moc, potrzebne są dłuższe odległości wzmocnienia i większe magazynowanie energii, co z kolei ogranicza zakres kompresji impulsu.
W porównaniu z tradycyjnymi systemami laserowymi szafirowymi tytanowymi, optyczna parametryczna amplifikacja impulsów (OPCPA) obsługuje szerokość pasma wzmocnienia, umożliwiając osiągnięcie impulsów sub-cyklu. Jednak, aby naprawdę osiągnąć moc wyjściową na poziomie 100 TW, technologia OPCPA stoi w obliczu licznych wyzwań technicznych: jak osiągnąć efektywną wzmocnienie energii przy jednoczesnym zachowaniu szerokości pasma? Jak zapewnić długoterminową stabilność fazy otoczki nośnej (CEP)? Jak osiągnąć wystarczająco wysoki kontrast czasowy, aby uniknąć zakłóceń przedpulsowych?
W tych pracach badawczych zespół autora wprowadził innowacje z dwóch kierunków: spójnej syntezy terenowej i ulepszonego projektowania OPCPA, systematycznie zajmując się kluczowymi wyzwaniami technicznymi, takimi jak kompromis szerokości zasilania, stabilność fazowa i kontrast czasowy, przed którymi stoi tradycyjne lasery impulsowe.
Spójna synteza pola i ulepszony projekt OPCPA
Aby wygenerować ultra-krótkie impulsy pod-bipolarne, najpierw konieczne jest wytworzenie wystarczająco szerokiej szerokości pasma widmowej. Zespół zastosował szeregową spójną technologię syntezy terenowej, dzieląc cały zakres widmowy (580–1020 nm) na dwa obszary uzupełniające się w celu oddzielnej amplifikacji, a następnie spójnej syntezy. Jak pokazano na rycinie 1, system syntezatora fali świetlnej zespołu 100 (LWS100) stosuje trzyetapową zwiększoną strukturę OPCPA. Każdy etap zawiera dwa optyczne wzmacniacze parametryczne: jeden pompowany przez 532 nm drugą generację harmoniczną, odpowiedzialną za wzmocnienie obszaru czerwonego światła (700–1020 nm); i kolejny pompowany przez trzecią harmoniczną przy 355 nm, odpowiedzialny za wzmocnienie regionu niebieskiego światła (580–700 nm). Projekt ten osiąga podział podzielenia, podobnie jak oddzielnie szkolenie różnych sekcji orkiestry, zapewniając efektywne wzmocnienie każdego komponentu spektralnego przy jednoczesnym zachowaniu spójności fazowej między różnymi składnikami częstotliwości.
Rysunek 1 Konfiguracja OPCPA ulepszonego LWS100
System wykorzystuje kryształy boranu baru barowego domieszkowanego boru (BBO), jako pożywkę nieliniową. Zespół badawczy precyzyjnie kontrolował kąt dopasowania faz (θ=34.54 dla regionu niebieskiego światła i θ=23.73 dla regionu czerwonego światła) i kątem niekoliniowym, aby zapewnić zsynchronizowaną amplifikację światła przy różnych długościach fal.
Ryc. 2 Pomiar spektralny (A) i symulacja (B) Ewolucja w LWS100
Wiele danych danych ujawnia wyjątkową wydajność systemu
Ekstremalne przełom skupiania i intensywności
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).
Rycina 3 Charakterystyka spektralna, czasowa i przestrzenna LWS100
Stabilność i kontrast fali
W przypadku impulsów laserowych w podwójnym cyklu podwójnym cyklu stabilność fazy otoczki (CEP) ma kluczowe znaczenie. CEP opisuje względną zależność fazową między nośnikiem a kopertą, a nawet niewielkie zmiany mogą znacząco wpłynąć na proces interakcji laserowej. Zespół przyjął pasywny projekt stabilny CEP, osiągając naturalne blokowanie fazy poprzez proces generowania częstotliwości różnic (DFG). Jak pokazano na rycinie 4, system osiąga stabilność CEP<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.
Rycina 4 Stabilność fali i kontrast LWS100
Innym krytycznym miarą dla układów laserowych o dużej mocy jest czasowy współczynnik intensywności między impulsem głównym a przedpulsem. Dzięki w pełni architektury OPCPA i zoptymalizowanego układu komponentów system osiąga czasowy kontrast przekraczający 11 rzędów wielkości. W szczególności, umieszczając akustyczne programowalne filtr dyspersji (Dazzler) po pierwszym stopniu wzmacniacza niebieskiego światła, parametryczne wytwarzanie fluorescencji jest skutecznie tłumione, znacznie zwiększając wydajność kontrastu systemu.
Czasowa super rozdzielczość
Chociaż czas trwania impulsu 4,3 FS jest już zbliżony do limitu fizycznego, zespół wykazał również potencjał zastosowania czasowej technologii super rozdzielczości. Poprzez spektralnie kształtowanie amplitudy i selektywne usuwanie komponentów widmowych w zakresie 745–825 nm czas trwania impulsu został dodatkowo skrócony do 3,7 FS, osiągając prawdziwe wyjście impulsu Sub-4 FS. W rezultacie moc szczytowa i intensywność szczytowa zostały zmniejszone do 40% oryginalnego impulsu, ale poziom mocy 25 TW pozostaje wystarczający do wspierania różnych ultraszybki spektroskopii i eksperymentów naukowych attosekundowych.
Rysunek 5: Super-rozdzielczość czasu za pomocą LWS100 do generowania impulsów Sub-4 FS
Badanie pokazuje wzmocniony optyczny wzmacniacz ćwierkającego impulsu, który zapewnia impulsy podwójnego cyklu z podwójnym cyklem z kontrolą fali i ultra-zalewaną intensywnością. Synteza pola seryjnego umożliwia solidną amplifikację widma przez prawie oktawę do energii na poziomie dżul. W ten sposób powstała impuls 100 TW o czasie trwania 4,3 FS, stabilności CEP i stabilności RMS poniżej 300 MRAD. Autorka gazety, profesor Laszlo Veisz z University of Tromsø, stwierdził: „Przełom tej technologii polega na pierwszej kombinacji 100-poziomowej mocy z podlifazyjnym czasem impulsowym, zapewniając bezprecedensowe narzędzia badawcze do postępu ultrafastowego laserowego naukę laserową i wieloma granicami.
Zespół badawczy zauważył, że technologia ta ma potencjalną skalowalność pod względem szybkości powtarzania, przepustowości, czasu trwania impulsu i energii (przy użyciu innych nieliniowych kryształów o większych wymiarach bocznych). W przyszłości, poprzez zwiększenie szeregowych technik syntezy i kontroli dyspersji, możliwe może być wygenerowanie impulsów podcyclowych o mocy szczytowej Petawatt.
