Galios ir impulsų pločio dilema? Kontroliuojant 100 TW didžiausios galios bangos formą 4,3 fs sub - bipolinių lazerio impulsų per lauko sintezę
Kaip pagrindinė priemonė tyrinėti ekstremalias materijos būsenas ir itin dinaminius procesus, „Femtosecond Ultra -“ trumpa lazerio impulsų technologija išliko pjovimo - krašto fokusas šiuolaikinėje optikoje. Neseniai tarptautinė tyrimų komanda iš Umeå universiteto Švedijoje ir Eli Alpių tyrimų centras Vengrijoje sėkmingai išsprendė galią - impulsų pločio prekybą - išjungta tradiciniame ultra - trumpų impulsų lazerinių sistemų sistemose. Jie pasiekė sub - du - ciklo lazerio išėjimą, kurio didžiausia galia yra 100 TW, o impulsų trukmė - tik 4,3 FS. Šis darbas teikia kritinę technologinę paramą kitai - kartos attosekundės mokslui, reliatyvistinei lazerio plazmos fizikai ir ekstremali optikai. Tyrimas, pavadintas „Bangos forma - kontroliuojama Sub {- du - ciklo impulsai 100 TW piko galios lygyje“, buvo paskelbtas naujausiame „Nature Photonics“ numeryje.
Kai „Trumpiausias“ atitinka „stipriausią“: galios išsprendimas - impulsų plotis prekyba - išjungta
Per pastaruosius kelis dešimtmečius labai pažanga padarė didelę pažangą, tobulėjant dviem kryptimis: viena vertus, siekdama didesnės didžiausios galios, kad sukurtų ekstremalias fizines sąlygas; Kita vertus, siekiant trumpesnio pulso trukmės, kad būtų pasiekta didesnė laiko skiriamoji geba. Fiziniai tradicinių lazerinių sistemų apribojimai veikia kaip „energijos taupymo įstatymas“: norint pasiekti trumpesnius impulsus, reikalingas platesnis spektro pralaidumas, tačiau daugumos lazerio padidėjimo terpės turi ribotą pralaidumą; Norint pasiekti didesnę galią, reikalingi ilgesni amplifikacijos atstumai ir didesnis energijos kaupimas, o tai savo ruožtu riboja impulsų suspaudimo mastą.
Palyginti su tradicinėmis titano safyro lazerinėmis sistemomis, optinis parametriškas čirškto impulsų amplifikacijos (OPCPA) technologija palaiko didesnį stiprinimo pralaidumą, todėl galima pasiekti sub - ciklo impulsus. Tačiau norint iš tikrųjų pasiekti 100 TW - lygio galios išėjimą, OPCPA technologija susiduria su daugybe techninių iššūkių: kaip pasiekti efektyvų energijos stiprinimą išlaikant ypač - plačią pralaidumą? Kaip užtikrinti ilgą - terminą „Carrier“ apvalkalo fazės (CEP) stabilumas? Kaip pasiekti pakankamai aukštą laiko kontrastą, kad būtų išvengta išankstinio - impulsų trukdžių?
Šiame tyrimo darbe autorių komanda diegė naujoves iš dviejų krypčių: nuoseklios lauko sintezės ir patobulinto OPCPA dizaino, sistemingai spręsdama pagrindinius techninius iššūkius, tokius kaip galia - impulsų pločio prekyba - išjungta, fazės stabilumas ir laikinojo kontrasto, kurį susiduria tradicinis ultragos ultragos ruošinys {}}} trumpų imtuvų.
Nuoseklios lauko sintezė ir patobulintas OPCPA dizainas
Norint generuoti sub - bipolinį ultra - trumpą impulsą, pirmiausia reikia sukurti pakankamai platų spektrinį pralaidumą. Komanda panaudojo serijinio nuoseklios lauko sintezės technologiją, padalijusi visą spektrinį diapazoną (580–1020 nm) į du komplementinius regionus, kad būtų galima atskirai amplifikuoti, o po to sekė nuosekli sintezė. Kaip parodyta 1 paveiksle, komandos šviesos bangos sintezatoriaus 100 (LWS100) sistemoje naudojama trys - pakopos patobulinta OPCPA struktūra. Kiekviename etape yra du optiniai parametriniai stiprintuvai: vienas pumpuojamas 532 nm antra harmoninė karta, atsakinga už raudonos šviesos srities (700–1020 nm) stiprinimą (700–1020 nm); ir dar vienas pumpuojamas trečiosios harmonikos esant 355 nm, atsakingam už mėlynos šviesos srities (580–700 nm) amplifikavimą. Šis dizainas pasiekia segmentinį amplifikaciją, panašų į skirtingų orkestro skyrių treniruotes atskirai, užtikrinant efektyvų kiekvieno spektrinio komponento amplifikaciją, išlaikant fazės darną tarp skirtingų dažnio komponentų.
1 paveikslo LWS100 patobulintos OPCPA sąranka
Sistemoje naudojama - fazė - suderintas boronas - doped bario borato (BBO) kristalai kaip netiesinė terpė. Tyrimo komanda tiksliai kontroliavo fazės - atitikimo kampą (θ=34.54 laipsnį mėlynos šviesos sričiai ir θ=23.73 laipsnį raudonos šviesos regionui) ir ne -} kolinė kampą, kad būtų užtikrintas sinchronizuotas šviesos stiprinimas skirtinguose bangos ilgiuose.
2 paveikslas Spektrinis matavimas (A) ir modeliavimas (b) LWS100 evoliucija
Keli duomenų metrika atskleidžia išskirtinį sistemos veikimą
Ekstremalus dėmesys ir intensyvumo proveržis
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 paveikslas LWS100 spektrinės, laiko ir erdvinės charakteristikos
Bangos formos stabilumas ir kontrastas
Sub - dvigubai - ciklo lazerio impulsams kritinis yra kritinis nešiklio voko fazės (CEP) stabilumas. CEP apibūdina santykinį fazės ryšį tarp nešiklio ir voko, ir net nedideli pokyčiai gali reikšmingai paveikti lazerio - materijos sąveikos procesą. Komanda priėmė pasyvų CEP - stabilų priekį - pabaigos dizainą, pasiekdamas natūralios fazės fiksavimą per skirtumų dažnio generavimo (DFG) procesą. Kaip parodyta 4 paveiksle, sistema pasiekia CEP stabilumą<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 paveikslas LWS100 bangos formos stabilumas ir kontrastas
Kita kritinė aukštos - galios lazerio sistemos metrika yra laikinas kontrastas - intensyvumo santykis tarp pagrindinio impulso ir pre - impulso. Per visiškai OPCPA architektūrą ir optimizuotą komponentų išdėstymą sistema pasiekia laiko kontrastą, viršijantį 11 dydžių. Tiksliau, įdėdami akusto - optinio programuojamo dispersijos filtrą („Dazzler“) po pirmojo - stadijos mėlynos šviesos stiprintuvo, veiksmingai slopinamas parametrinis fluorescencijos generavimas, žymiai pagerinantis sistemos kontrasto našumą.
Laikinas super - skiriamoji geba
Nors 4,3 FS pulso trukmė jau yra artima fizinei ribai, komanda taip pat pademonstravo laikinojo super - skiriamosios gebos technologijos taikymo potencialą. Spektrai formuodami amplitudę ir selektyviai pašalinant spektrinius komponentus 745–825 nm diapazone, impulsų trukmė buvo dar labiau sumažinta iki 3,7 FS, pasiekiant tikrąjį SUB-4 FS impulsą. Dėl to didžiausia galia ir smailės intensyvumas buvo sumažintas iki 40% pradinio impulso, tačiau 25 TW galios lygis išlieka pakankamas įvairioms ypačtrių spektroskopijos ir attosekundės mokslo eksperimentams palaikyti.
5 paveikslas: Laikas super - skiriamoji geba naudojant LWS100, kad būtų galima generuoti Sub-4 FS impulsus
Tyrimas parodo patobulintą optinį parametrinį čirškto impulsų stiprintuvą, kuris suteikia sub - dvigubą - ciklo impulsus su bangos formos valdymu ir ultra - reliatyvistiniu intensyvumu. Serijinio lauko sintezė leidžia patikimai amplifikuoti spektrą beveik oktavoje iki džolis - lygio energijos. Tokiu būdu buvo sukurtas 100 TW - lygio impulsas, kurio trukmė yra 4,3 FS, CEP stabilumas ir RMS stabilumas, mažesnis nei 300 MRAD. Popieriaus autorius, profesorius Laszlo Veisz iš Tromsø universiteto, pareiškė: „Šios technologijos proveržis yra pirma Tokie laukai kaip Attosekundės fizika, ekstremali netiesinė optika ir relativistinė plazmos fizika “.
Tyrimo komanda pažymėjo, kad ši technologija gali mastelio keitimo laipsnį, pralaidumą, impulsų trukmę ir energiją (naudojant kitus netiesinius kristalus, turinčius didesnius šoninius matmenis). Ateityje, sustiprinus serijinio lauko sintezės ir dispersijos valdymo metodus, gali būti įmanoma sugeneruoti sub - ciklo impulsus su „Petawatt Peak Power“.
