Jauda pret impulsa platuma dilemmu? 100 TW Peak Power 4,3 FS sub - bipolāru lāzera impulsu kontrole ar lauka sintēzi.
Kā galvenais rīks matērijas galējā stāvokļu izpētei un īpaši ātri dinamiskiem procesiem, femtosekundes ultra - īsā lāzera impulsa tehnoloģija ir saglabājusi griešanu - malas fokuss mūsdienu optikā. Nesen starptautiska pētījumu grupa no Umeå University Zviedrijā un ELI ALPS pētījumu centrs Ungārijā veiksmīgi izšķīrās ar spēku - impulsa platuma tirdzniecība - izslēgta tradicionālajā ultra - īsa impulsa lāzera sistēmas, izmantojot uzlabotu optisko parametrisko chirped Pulse amplication (OPCPA) tehnoloģiju. Viņi sasniedza sub - divus - cikla lāzera izvadi ar maksimālo jaudu 100 TW un impulsa ilgumu tikai 4,3 fs. Šis darbs nodrošina kritisku tehnoloģisko atbalstu nākamajai - paaudzes Atosecond zinātnei, relativistiskajai lāzera plazmas fizikai un ekstrēmai optikai. Pētījums ar nosaukumu "Viļņu forma - Kontrolēta lauka sintēze sub - divos - cikla impulsus 100 TW Peak Power līmenī" tika publicēts jaunākajā Nature Photonics numurā.
Kad "īsākais" atbilst "spēcīgākais": jaudas izšķiršana - impulsa platuma tirdzniecība - izslēgta
Ultra ātri lāzera tehnoloģija pēdējās desmitgadēs ir guvusi ievērojamu progresu, attīstoties divos virzienos: no vienas puses, cenšoties panākt lielāku maksimālo jaudu, lai radītu ārkārtējus fiziskus apstākļus; No otras puses, īstenojot īsāku impulsu ilgumu, lai panāktu augstāku izšķirtspēju pagaidu. Tradicionālo lāzera sistēmu fiziskie ierobežojumi darbojas kā "enerģijas saglabāšanas likums": lai sasniegtu īsākus impulsus, ir nepieciešams plašāks spektrālais joslas platums, bet lielākajai daļai lāzera Gain Media ir ierobežots joslas platums; Lai sasniegtu lielāku jaudu, nepieciešami ilgāki pastiprināšanas attālumi un lielāka enerģijas uzkrāšana, kas savukārt ierobežo impulsa saspiešanas pakāpi.
Salīdzinot ar tradicionālajām titāna safīra lāzera sistēmām, optiskā parametriskā Chirped impulsa pastiprināšanas (OPCPA) tehnoloģija atbalsta plašāku pastiprināšanas joslas platumu, ļaujot sasniegt sub - cikla impulsus. Tomēr, lai patiesi sasniegtu 100 tw - līmeņa jaudas izvadi, OPCPA tehnoloģija saskaras ar daudzām tehniskām problēmām: kā sasniegt efektīvu enerģijas pastiprināšanu, saglabājot ultra - plaša joslas platumu? Kā nodrošināt garo - termiņa stabilitāti nesēja apvalka fāzē (CEP)? Kā sasniegt pietiekami augstu laika kontrastu, lai izvairītos no PRE - impulsa traucējumiem?
Šajā pētniecības darbā autora komanda no diviem virzieniem: koherenta lauka sintēze un uzlabots OPCPA dizains, sistemātiski risinot galvenos tehniskos izaicinājumus, piemēram, jaudu - impulsa platuma tirdzniecība - izslēgta, fāzes stabilitāte un laika kontrasts, ar kuru saskaras tradicionāls ultra -} īss impulss.
Saskaņota lauka sintēze un uzlabots OPCPA dizains
Lai ģenerētu sub - bipolārus ultra - īsus impulsus, vispirms ir jāizveido pietiekami plašs spektrālais joslas platums. Komanda izmantoja seriālo koherento lauka sintēzes tehnoloģiju, sadalot visu spektrālo diapazonu (580–1020 nm) divos papildinošos reģionos atsevišķai pastiprināšanai, kam seko koherenta sintēze. Kā parādīts 1. attēlā, komandas gaismas viļņu sintezatora 100 (LWS100) sistēma izmanto trīs - pakāpes uzlabotu OPCPA struktūru. Katrā posmā ietilpst divi optiskie parametriskie pastiprinātāji: vienu sūknēti ar 532 nm otro harmonisko paaudzi, kas ir atbildīga par sarkanās gaismas reģiona pastiprināšanu (700–1020 nm); un vēl vienu trešā harmonikas sūknēšanu pie 355 nm, kas ir atbildīgs par zilās gaismas reģiona pastiprināšanu (580–700 nm). Šis dizains sasniedz segmentētu pastiprināšanu, kas līdzīgs dažādu orķestra posmu apmācībai atsevišķi, nodrošinot efektīvu katra spektrālā komponenta pastiprināšanu, saglabājot fāzes koherenci starp dažādām frekvences komponentiem.
1. attēls LWS100 uzlabotas OPCPA iestatīšana
Sistēma izmanto - fāzi - saskaņots bors - leģēts bārija borāts (BBO) kristāli kā nelineārais barotne. Pētniecības komanda precīzi kontrolēja fāzi - atbilstības leņķi (θ=34.54 grāds zilās gaismas reģionā un θ=23.73 grāds sarkanās gaismas reģionam) un - kolineārā leņķis, lai nodrošinātu sinhronizētu gaismas pastiprināšanu dažādos viļņos.
2. attēls Spektrālā mērīšana (a) un simulācija (b) evolūcija LWS100
Vairāki datu metrika atklāj ārkārtas sistēmas veiktspēju
Ārkārtēja fokusēšana un intensitātes izrāviens
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).
3. attēls LWS100 spektrālās, laika un telpiskās īpašības
Viļņu formas stabilitāte un kontrasts
Sub - Double - cikla lāzera impulsiem nesēja apvalka fāzes (CEP) stabilitāte ir kritiska. CEP apraksta relatīvās fāzes attiecības starp nesēju un aploksni, un pat nelielas izmaiņas var ievērojami ietekmēt lāzera - Matter -mijiedarbības procesu. Komanda pieņēma pasīvu CEP - stabilu priekšējo - gala dizainu, panākot dabiskās fāzes bloķēšanu, izmantojot starpības frekvences ģenerēšanas (DFG) procesu. Kā parādīts 4. attēlā, sistēma sasniedz CEP stabilitāti<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.
4. attēls viļņu formas stabilitāte un LWS100 kontrasts
Vēl viena kritiska metrika augstai - strāvas lāzera sistēmām ir laika kontrasts - intensitātes attiecība starp galveno impulsu un Pre - impulsu. Izmantojot pilnībā OPCPA arhitektūru un optimizētu komponentu izkārtojumu, sistēma sasniedz laika kontrastu, kas pārsniedz 11 lielumu. Konkrēti, ievietojot akusto - optiski programmējamu izkliedes filtru (žilberu) pēc pirmā - stadijas zilās gaismas pastiprinātāja, parametriskā fluorescences ģenerēšana tiek efektīvi nomāc, ievērojami uzlabojot sistēmas kontrasta veiktspēju.
Īslaicīga super - izšķirtspēja
Lai arī impulsa ilgums 4,3 FS jau ir tuvu fiziskajai robežai, komanda arī parādīja laika super - izšķirtspējas tehnoloģijas pielietojuma potenciālu. Spektrāli veidojot amplitūdu un selektīvi noņemot spektrālos komponentus 745–825 nm diapazonā, impulsa ilgums tika vēl vairāk samazināts līdz 3,7 FS, sasniedzot patiesu apakš-4 FS impulsa izvadi. Rezultātā maksimālā jauda un maksimālā intensitāte tika samazināta līdz 40% no sākotnējā impulsa, bet 25 TW jaudas līmenis joprojām ir pietiekams, lai atbalstītu dažādus ultraātas spektroskopijas un attosekundes zinātnes eksperimentus.
5. attēls: Laika super - izšķirtspēja, izmantojot LWS100, lai ģenerētu Sub-4 FS impulsus
Pētījums demonstrē uzlabotu optisko parametrisko chirped impulsa pastiprinātāju, kas nodrošina sub - dubultā - cikla impulsus ar viļņu formas vadību un ultra - relativistisku intensitāti. Sērijas lauka sintēze nodrošina spēcīgu spektra pastiprināšanu gandrīz oktāvā līdz džoulam - līmeņa enerģijai. Tādā veidā tika izveidota 100 tw - līmeņa impulss ar ilgumu 4,3 fs, CEP stabilitāte un RMS stabilitāte zem 300 MRAD. Raksta autors, Tromsø universitātes profesors Laszlo Veiszs paziņoja: "Šīs tehnoloģijas izrāviens ir pirmajā - KATRU KATRU KOMPITENTAM 100 tw {- Līmeņa jaudā ar apakšdaļu - biphāzu pulsa ilgums, kas ir neprasīts. Frontier lauki, piemēram, Atosecond fizika, ekstrēmā nelineārā optika un relativistiskā plazmas fizika. "
Pētniecības grupa atzīmēja, ka šai tehnoloģijai ir iespējama mērogojamība atkārtošanās ātruma, joslas platuma, impulsa ilguma un enerģijas ziņā (izmantojot citus nelineārus kristālus ar lielākiem sānu izmēriem). Nākotnē, uzlabojot seriālā lauka sintēzi un izkliedes kontroles paņēmienus, var būt iespējams ģenerēt sub - cikla impulsus ar Petawatt maksimuma jaudu.
