Moč proti dilemi širine impulza? Nadzor valovne oblike 100 TW najvišje moči 4,3 FS sub - bipolarne laserske impulze skozi sintezo polja
Kot temeljno orodje za raziskovanje ekstremnih stanj snovi in ultra hitrih dinamičnih procesov je FemtoseCond Ultra - kratka laserska impulzna tehnologija ostala rezanje - ostrenja v sodobni optiki. Recently, an international research team from Umeå University in Sweden and the ELI ALPS Research Center in Hungary successfully resolved the power-pulse width trade-off in traditional ultra-short pulse laser systems by employing enhanced optical parametric chirped pulse amplification (OPCPA) technology and coherent field synthesis schemes. Dosegli so sub - dva - cikla laserskega izhoda z največjo močjo 100 TW in trajanje impulza le 4,3 fs. To delo zagotavlja kritično tehnološko podporo za naslednje - generacije AttoseCond Science, relativistično lasersko fiziko plazme in ekstremno optiko. Študija z naslovom "Waveform - nadzorovano sintezo polja sub - dva - cikla na 100 TW najvišji ravni moči" je bila objavljena v zadnji številki Nature Photonics.
Ko se "najkrajši" sreča z "najmočnejšimi": Reševanje moči - Trgovina s širino impulze - Off
Ultrafast laserska tehnologija je v zadnjih nekaj desetletjih dosegla pomemben napredek, ki se je razvijala v dveh smereh: na eni strani in si prizadevala za večjo največjo moč za ustvarjanje ekstremnih fizičnih razmer; Po drugi strani pa si prizadevamo za krajše trajanje impulza za doseganje večje časovne ločljivosti. Fizične omejitve tradicionalnih laserskih sistemov delujejo kot "zakon o ohranjanju energije": za doseganje krajših impulzov je potrebna širša spektralna pasovna širina, vendar ima večina laserskih dobičkov medij omejeno pasovno širino; Za doseganje večje moči so potrebne daljše razdalje ojačevanja in večje shranjevanje energije, kar posledično omejuje obseg stiskanja impulza.
V primerjavi s tradicionalnimi laserskimi sistemi Titanium Sapphire, tehnologija optičnega parametričnega čirpiranega impulza (OPCPA) podpira širšo pasovno širino dobička, kar omogoča doseganje sub - cikla. Vendar pa se za resnično doseganje 100 TW - izhodne moči, tehnologija OPCPA sooča s številnimi tehničnimi izzivi: kako doseči učinkovito ojačanje energije, hkrati pa ohraniti Ultra - široko pasovno širino? Kako zagotoviti dolgo - stabilnost faze nosilca ovojnic (CEP)? Kako doseči dovolj visok časovni kontrast, da se izognete pred - impulznim motnjam?
V tem raziskovalnem delu je avtorjeva ekipa inovirala iz dveh smeri: koherentna sinteza polja in izboljšana zasnova OPCPA, ki sistematično obravnava ključne tehnične izzive, kot je moč - Trgovina s širino impulzov -, fazni stabilnost in tempora kontrast.
Koherentna sinteza polja in izboljšana zasnova OPCPA
Če želite ustvariti sub - bipolarni ultra - kratki impulzi, je najprej treba izdelati dovolj široko spektralno pasovno širino. Skupina je uporabljala serijsko koherentno tehnologijo sinteze polja, pri čemer je celoten spektralni razpon (580–1020 nm) delila na dve komplementarni regiji za ločeno amplifikacijo, ki ji je sledila koherentna sinteza. Kot je prikazano na sliki 1, sistem Syenthesizer Syenthesizer Svetlobnega vala 100 (LWS100) uporablja tri - faza izboljšana struktura OPCPA. Vsaka stopnja vključuje dva optična parametrična ojačevalnika: ena, ki jo črpa 532 nm druge harmonske generacije, ki je odgovoren za ojačanje območja rdeče svetlobe (700–1020 nm); in še eno, ki jo je tretja harmonika črpala pri 355 nm, ki je odgovoren za povečanje območja modre svetlobe (580–700 nm). Ta zasnova dosega segmentirano amplifikacijo, podobno usposabljanju različnih odsekov orkestra ločeno, kar zagotavlja učinkovito amplifikacijo vsake spektralne komponente, hkrati pa ohranja fazno skladnost med različnimi frekvenčnimi komponentami.
Slika 1 Nastavitev LWS100 izboljša OPCPA
Sistem uporablja - faza - ujemanje bora - doped barijev boratni (bbo) kristali kot nelinearni medij. Raziskovalna skupina je natančno nadzorovala fazo - ujemajočega se kota (θ=34.54 stopnja za območje modre svetlobe in θ=23.73 stopnja za območje rdeče svetlobe) in ne - kolinearni kot, da bi zagotovili sinhronizirano ojačanje svetlobe v različni valovni vrednosti.
Slika 2 Spektralna meritev (a) in simulacijska (b) evolucija v LWS100
Več meritev podatkov razkriva izjemno zmogljivost sistema
Ekstremno osredotočenost in preboj intenzivnosti
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).
Slika 3 Spektralne, časovne in prostorske značilnosti LWS100
Stabilnost in kontrast valovnih oblik
Za Sub - dvojno - cikla laserske impulze je stabilnost faze ovojnic nosilne ovojnice (CEP) kritična. CEP opisuje relativno fazno razmerje med nosilcem in ovojnico, celo manjše spremembe lahko bistveno vplivajo na laserski postopek interakcije z laserjem -. Ekipa je sprejela pasivni CEP - stabilno spredaj - končni dizajn in dosegla naravno fazno zaklepanje s postopkom razlike frekvence (DFG). Kot je prikazano na sliki 4, sistem dosega stabilnost 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.
Slika 4 Stabilnost valovnih oblik in kontrast LWS100
Druga kritična metrika za visoke - laserske sisteme je časovni kontrast - razmerje med intenzivnostjo med glavnim impulzom in pred - impulzom. S pomočjo popolnoma OPCPA arhitekture in optimizirano postavitev komponent sistem doseže časovni kontrast, ki presega 11 vrst. Zlasti z namestitvijo acousTo - optičnega programirljivega disperzijskega filtra (Dazzler) po prvem ojačevalniku - faze modre svetlobe, parametrična generacija fluorescence učinkovito zavira, kar znatno poveča delovanje kontrasta sistema.
Časovna super - ločljivost
Čeprav je trajanje impulza 4,3 FS že blizu fizične meje, je ekipa pokazala tudi aplikacijski potencial časovne super - ločljivosti tehnologije. S spektralno oblikovanjem amplitude in selektivnim odstranjevanjem spektralnih komponent v območju 745–825 nm se je trajanje impulza nadalje zmanjšalo na 3,7 FS, pri čemer smo dosegli resnični izhod pulza Sub-4 FS. Kot rezultat tega sta se največja moč in največja intenzivnost zmanjšala na 40% prvotnega impulza, vendar 25 nivoja TW še vedno zadostuje za podporo različnih ultra hitrih spektroskopijskih in atosekundnih znanstvenih poskusih.
Slika 5: Time Super - ločljivost z uporabo LWS100 za ustvarjanje pod-4 FS impulzov
Študija prikazuje izboljšan optični parametrični cvrkljani impulzni ojačevalnik, ki zagotavlja sub - dvojni - cikel impulzov z nadzorom valovne oblike in ultra - relativistična intenzivnost. Sinteza serijskega polja omogoča robustno ojačanje spektra v skoraj oktavi do Joule - na ravni energije. Na ta način je bil ustvarjen 100 TW - impulz s trajanjem 4,3 FS, stabilnosti CEP in stabilnosti RMS pod 300 MRAD. Avtor prispevka, profesor Laszlo Veisz z univerze v Tromsøu, je dejal: "Preboj te tehnologije je v prvi - kdaj kombinacija 100 TW - na ravni SUB - dvofaznih raziskovalnih orodij za napredovanje neprimernih za predhodna raziskovalna orodja za predvidevanje neprimernih raziskovalnih orodij za napredovanje in predvidevano za napredovanje in predvidevano raziskovalno orodja za napredovanje in predvidevanje neprimernih raziskovalnih orodij za napredovanje in predvidevano raziskovanje za napredovanje in predvideva Več obmejnih polj, kot so fizika AttoseCond, ekstremna nelinearna optika in relativistična fizika v plazmi. "
Raziskovalna skupina je ugotovila, da ima ta tehnologija potencialno razširljivost glede na hitrost ponavljanja, pasovno širino, trajanje impulza in energije (z uporabo drugih nelinearnih kristalov z večjimi stranskimi dimenzijami). V prihodnosti je z izboljšanjem tehnik sinteze in disperzijskega nadzora serijskega polja mogoče ustvariti sub - cikla impulzov s Petawatt Peak Power.
