Потужність проти дилеми ширини імпульсу? Контроль форми хвилі 100 TW Peak Power 4.3 FS Sub - Біполярні лазерні імпульси через синтез поля
Як основний інструмент для вивчення крайніх станів речовини та ультрашвидких динамічних процесів, фемтосекунд Ultra - коротка технологія лазерного імпульсу залишається різанням - Edge Focus у сучасній оптиці. Нещодавно міжнародна дослідницька група з Університету Умео в Швеції та дослідницького центру Елі Альпса в Угорщині успішно вирішила потужність - Ширина імпульсу Торгівля - в традиційних ультра - коротких імпульсних лазерних систем, використовуючи розширену оптичну параметрикуруючу пульсою епізифікації (Opcpa) Technology. Вони досягли sub - два - лазерний вихід циклу з піковою потужністю 100 TW та тривалістю імпульсу лише 4,3 фс. Ця робота забезпечує критичну технологічну підтримку для наступної - генераційна атмосекундна наука, релятивістська фізика лазерної плазми та екстремальна оптика. Дослідження під назвою "Форма хвилі - Синтез поля керованого поля Sub - Два - імпульси циклу на рівні потужності 100 TW" було опубліковано в останньому випуску Nature Photonics.
Коли "найкоротший" відповідає "найсильнішому": вирішення потужності - Ширина імпульсу Торгівля - вимкнено
Ультрашвидка лазерна технологія за останні кілька десятиліть досягла значного прогресу, розвиваючись у двох напрямках: з одного боку, переслідуючи більш високу пікову силу для створення надзвичайних фізичних умов; З іншого боку, переслідуючи більш коротку тривалість імпульсу для досягнення більш високої тимчасової роздільної здатності. Фізичні обмеження традиційних лазерних систем діють як "закон про енергозбереження": для досягнення коротших імпульсів необхідна більш широка спектральна пропускна здатність, але більшість лазерних засобів масової інформації мають обмежену пропускну здатність; Для досягнення більшої потужності потрібні довші відстані ампліфікації та більше зберігання енергії, що, в свою чергу, обмежує ступінь стиснення імпульсу.
Порівняно з традиційними лазерними системами титану, оптична технологія ампліфікації імпульсного імпульсу (OPCPA) підтримує більш широку пропускну здатність посилення, що дозволяє досягти імпульсів циклу Sub -. Однак, щоб по -справжньому досягти 100 TW - Потужність потужності, технологія OPCPA стикається з численними технічними проблемами: як досягти ефективної ампліфікації енергії, зберігаючи Ultra - широку пропускну здатність? Як забезпечити довгу - стабільність терміну стабільності фази конверта носія (CEP)? Як досягти достатньо високого тимчасового контрасту, щоб уникнути імпульсних перешкод до -?
У цій дослідницькій роботі авторська команда, яка інноваційна з двох напрямків: когерентний синтез поля та вдосконалена конструкція OPCPA, систематично вирішуючи ключові технічні виклики, такі як потужність - ширина імпульсної торгівлі - вимкнення, стабільність фази та тимчасовий контраст, з яким стикаються традиційні ультра - короткий пульс -лос.
Когерентний синтез поля та вдосконалена конструкція OPCPA
Щоб генерувати sub - біполярні ультра - короткі імпульси, спочатку необхідно створити достатньо широку спектральну пропускну здатність. Команда використовувала серійну когерентну технологію синтезу поля, розділяючи весь спектральний діапазон (580–1020 нм) на два додаткові області для окремої ампліфікації з подальшим когерентним синтезом. Як показано на малюнку 1, система легкої хвилі команди 100 (LWS100) використовує три - етапі, що посилюється структурою OPCPA. Кожен етап включає два оптичні параметричні підсилювачі: один накачаний на 532 нм друге генерацію гармоніки, що відповідає за посилення області червоного світла (700–1020 нм); і ще один накачаний третьою гармонікою на 355 нм, відповідальний за посилення області синього світла (580–700 нм). Ця конструкція досягає сегментованого ампліфікації, схожого на навчання різних ділянок оркестру окремо, забезпечуючи ефективне ампліфікацію кожного спектрального компонента, зберігаючи фазову когерентність між різними компонентами частоти.
Рисунок 1 Налаштування LWS100 Посилена OPCPA
Система використовує - Фаза - збігається з BORON - кристалами допеду Барію (BBO) як нелінійного середовища. Дослідницька група точно контролювала фазу - кут відповідності (θ=34.54 градус для регіону синього світла та θ=23.73 градус для області червоного світла) та - кута для забезпечення синхронізованої ампліфікації світла при різних довжинах хвиль.
Малюнок 2 Спектральне вимірювання (а) та моделювання (b) еволюція в LWS100
Кілька показників даних виявляють виняткову продуктивність системи
Екстремальний прорив фокусування та інтенсивності
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 фс).
Малюнок 3 спектральні, часові та просторові характеристики LWS100
Стабільність форми хвилі та контраст
Для sub - подвійні - лазерні імпульси циклу стабільність фази конверта носія (CEP) є критичною. CEP описує відносну фазову взаємозв'язок між носієм та конвертом, і навіть незначні зміни можуть суттєво вплинути на процес взаємодії з лазером -. Команда прийняла пасивний CEP - стабільний передній фронт - кінцевий дизайн, досягнення природної фазової фази через процес генерації частоти різниці (DFG). Як показано на малюнку 4, система досягає стабільності ЦЕП<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.
Рисунок 4 Стабільність форми хвиль та контраст LWS100
Ще одна критична метрика для високих - силових лазерних систем - це тимчасова контраст - коефіцієнт інтенсивності між основним імпульсом та імпульсом Pre -. Через повністю архітектуру OPCPA та оптимізований компонент компонента система досягає тимчасового контрасту, що перевищує 11 порядків. Зокрема, розмістивши Acousto - оптичний програмований фільтр дисперсії (Dazzler) після першого - підсилювач синього світла, параметричне генерація флуоресценції ефективно пригнічується, суттєво підвищуючи продуктивність контрасту системи.
Тимчасова супер - роздільна здатність
Хоча тривалість імпульсу 4,3 фс вже близька до фізичної межі, команда також продемонструвала потенціал застосування тимчасової технології роздільної здатності Super -. Спектрально формуючи амплітуду та вибірково видалення спектральних компонентів у діапазоні 745–825 нм, тривалість імпульсу ще більше зменшилася до 3,7 фс, досягнувши справжнього суб-4 FS імпульсного виходу. Як результат, пікова потужність та пікова інтенсивність були зменшені до 40% від початкового імпульсу, але рівень потужності 25 TW залишається достатнім для підтримки різних ультрашвидких спектроскопій та асттосекундних наукових експериментів.
Малюнок 5: Час супер - роздільна здатність за допомогою LWS100 для генерації суб-4 FS імпульсів
Дослідження демонструє посилений оптичний параметричний підсилювач імпульсу, який забезпечує суб - подвійний - імпульси циклу з контролем форми хвилі та Ultra - релятивістською інтенсивністю. Синтез послідовного поля дозволяє надійне посилення спектру майже на октаву до Joule - енергії рівня. Таким чином, імпульс рівня 100 TW - з тривалістю 4,3 фс, стабільності CEP та стабільності RMS нижче 300 MRAD. Автор документу, професор Ласло Вейс з Університету Тромсе, заявив: "Прорив цієї технології лежить у першій рівні - коли -небудь поєднання 100 TW -} Потова з суб - Biphasic PULS Такі поля, як аттосекундна фізика, екстремальна нелінійна оптика та релятивістська фізика плазми ".
Дослідницька група зазначила, що ця технологія має потенційну масштабованість з точки зору частоти повторення, пропускної здатності, тривалості імпульсу та енергії (використовуючи інші нелінійні кристали з більшими бічними розмірами). Надалі, вдосконалюючи методи синтезу серійного поля та контроль за дисперсією, можливо, можна генерувати імпульси циклу Sub - з Petawatt Peak Power.
