Усиление чирпированных импульсов

Схема усиления чирпированных импульсов

Усиление чирпированного импульса ( CPA ) - это метод усиления ультракороткого лазерного импульса до петаваттного уровня, при котором лазерный импульс растягивается во времени и спектрально, затем усиливается, а затем снова сжимается. ^[1] Для растяжения и сжатия используются устройства, обеспечивающие прохождение различных цветовых компонентов импульса на разные расстояния.

CPA для лазеров был введен Донной Стрикленд и Жераром Муру в Рочестерском университете в середине 1980-х годов ^[2], работа, за которую они получили Нобелевскую премию по физике в 2018 году ^[3].

CPA - это современная технология, используемая в большинстве самых мощных лазеров в мире.

Фон [ править ]

Перед введением CPA в середине 1980-х года, пик мощность лазерных импульсов была ограничена , поскольку лазерный импульс при интенсивности от гигаватт на квадратный сантиметр приводит к серьезному повреждению усиливающей среды через нелинейные процессы , такие как самофокусировки . Например, некоторые из самых мощных сжатых лазерных лучей CPA даже в несфокусированной большой апертуре (после выхода из решетки сжатия) могут превышать интенсивность 700 ГВт / см ² , что, если позволить им распространяться в воздухе или в усиливающей среде лазера , мгновенно самофокусировка и образование плазмы или распространение нити накала, оба из которых могут испортить желаемые качества исходного луча и даже вызвать обратное отражение, потенциально повреждающее компоненты лазера. Чтобы поддерживать интенсивность лазерных импульсов ниже порога нелинейных эффектов, лазерные системы должны были быть большими и дорогими, а пиковая мощность лазерных импульсов была ограничена высоким уровнем гигаватт или тераваттным уровнем для очень большого многолучевого излучения. удобства.

В CPA, с другой стороны, ультракороткий лазерный импульс растягивается во времени перед подачей его в усиливающую среду с помощью пары решеток , которые расположены так, что низкочастотная составляющая лазерного импульса проходит более короткий путь, чем высокочастотная составляющая делает. После прохождения пары решеток лазерный импульс становится положительно чирпированным , то есть высокочастотная составляющая отстает от низкочастотной составляющей и имеет большую длительность импульса, чем исходный, в 1000 раз.100 000 .

Затем растянутый импульс, интенсивность которого достаточно мала по сравнению с пределом интенсивности в гигаватт на квадратный сантиметр, безопасно вводится в усиливающую среду и усиливается в миллион или более раз. Наконец, усиленный лазерный импульс повторно сжимается до исходной ширины импульса за счет обращения процесса растяжения, достигая на порядки более высокой пиковой мощности, чем могли генерировать лазерные системы до изобретения CPA.

Помимо более высокой пиковой мощности, CPA позволяет миниатюризировать лазерные системы (компрессор является самой большой частью). Компактный высокомощный лазер, известный как настольный тераваттный лазер (лазер Т ³ , обычно доставляющий1  джоуль энергии внутри1  пикосекунда ), могут быть созданы на основе метода CPA. ^[4]

Конструкция носилок и компрессора [ править ]

Есть несколько способов изготовления компрессоров и носилок. Однако для типичного усилителя чирпированных импульсов на основе Ti: сапфира требуется, чтобы импульсы растягивались до нескольких сотен пикосекунд, а это означает, что разные компоненты длины волны должны иметь разницу в длине пути около 10 см. Наиболее практичный способ добиться этого - использовать стретчеры и компрессоры на основе решеток. Носилки и компрессоры отличаются своей дисперсностью. При отрицательной дисперсии свету с более высокими частотами (более короткими длинами волн) требуется меньше времени для прохождения через устройство, чем свету с более низкими частотами (более длинными волнами). С положительной дисперсией, это наоборот. В CPA дисперсии стретчера и компрессора должны уравновешиваться. По практическим соображениям (высокомощный) компрессор обычно проектируется с отрицательной дисперсией, и поэтому (маломощный) стретчер конструируется с положительной дисперсией.

В принципе, дисперсия оптического устройства является функцией , где - временная задержка, испытываемая частотной составляющей . (Иногда используется фаза , где c - скорость света, а - длина волны.) Каждый компонент во всей цепочке от затравочного лазера до выхода компрессора вносит свой вклад в дисперсию. Оказывается, сложно настроить дисперсию стретчера и компрессора так, чтобы результирующие импульсы были короче примерно 100 фемтосекунд. Для этого могут потребоваться дополнительные диспергирующие элементы.${\ Displaystyle \ тау (\ омега)}$${\ Displaystyle \ тау}$${\displaystyle \omega }$${\displaystyle \phi (\omega )=2\pi \tau (\omega )c/\lambda (\omega )}$${\displaystyle \lambda }$

С решетками [ править ]

Рис. 1. Схематическое изображение решетчатого компрессора с отрицательной дисперсией, то есть короткие волны (показаны синим цветом) выходят первыми.

На рисунке 1 показана простейшая конфигурация решетки, в которой длинноволновые компоненты проходят большее расстояние, чем коротковолновые компоненты (отрицательная дисперсия). Часто используется только одна решетка с дополнительными зеркалами, так что луч попадает на решетку четыре раза, а не два раза, как показано на рисунке. Эта установка обычно используется в качестве компрессора, поскольку в ней не используются пропускающие компоненты, которые могут привести к нежелательным побочным эффектам при работе с импульсами высокой интенсивности. Дисперсию можно легко настроить, изменив расстояние между двумя решетками.

Рис. 2. Схема натяжителя на решетке. В этом случае, что приводит к положительной дисперсии, т. Е. Длинные волны (выделены красным цветом) идут первыми.${\displaystyle L<f}$

На рисунке 2 показана более сложная конфигурация решетки, которая включает в себя фокусирующие элементы, здесь изображенные как линзы. Линзы расположены на расстоянии друг от друга (они действуют как телескоп 1: 1) и на расстоянии от решеток. Если , установка действует как стретчер с положительной дисперсией, а если - как стретчер с отрицательной дисперсией . Случай используется в фемтосекундного формирования импульсов${\displaystyle 2f}$${\displaystyle L}$${\displaystyle L<f}$${\displaystyle L>f}$${\displaystyle L=f}$. Обычно фокусирующим элементом является не линза, а сферическое или цилиндрическое зеркало. Как и в конфигурации на Рисунке 1, можно использовать дополнительное зеркало и использовать одну решетку вместо двух отдельных. Эта установка требует, чтобы диаметр луча был очень мал по сравнению с длиной телескопа; в противном случае появятся нежелательные аберрации. По этой причине он обычно используется в качестве стретчера перед каскадом усиления, поскольку затравочные импульсы низкой интенсивности могут коллимироваться в пучок малого диаметра.

С призмами [ править ]

Возможно использование призмвместо решеток в качестве диспергирующих элементов, как на рисунке 3. Несмотря на такое простое изменение, установка ведет себя совершенно иначе, поскольку для первого порядка не вносится дисперсия групповой задержки. Такой стретчер / компрессор может иметь как положительную, так и отрицательную дисперсию, в зависимости от геометрии и свойств материала призм. При использовании линз знак дисперсии может быть изменен, как показано на рисунке 2. При заданном расстоянии между диспергирующими элементами призмы создают гораздо меньшую дисперсию, чем решетки. Призмы и решетки иногда комбинируются для коррекции дисперсии более высокого порядка («гризмы»), и в этом случае расстояние между призмами составляет порядка 10 метров, а не 50 см, как в случае решетчатого компрессора. Решетки теряют мощность в другие порядки, а призмы теряют мощность из-за рэлеевского рассеяния..

Фазовое сопряжение чирпированных импульсов [ править ]

Чирпированные импульсы от лазерных усилителей могут синхронизироваться по фазе за счет отражения от ОВФ-зеркала ^[5] для увеличения яркости как . Для этого уместно использовать вырожденное четырехволновое смешение Керра ОВФ . ^[6]${\displaystyle N}$${\displaystyle N^{2}}$

Другие методы [ править ]

Некоторые другие методы могут использоваться для растягивания и сжатия импульсов, но они не подходят в качестве основного стретчера / компрессора в CPA из-за их ограниченной дисперсии и из-за их неспособности обрабатывать импульсы высокой интенсивности.

• Импульс можно растянуть, просто пропустив его через толстую пластину прозрачного материала, такого как 200-миллиметровое стекло. Как и в случае с призмами, только ограниченное количество дисперсии может быть достигнуто в пределах физически практических размеров. За пределами спектра видимого света существуют материалы как с положительной, так и с отрицательной дисперсией. Для видимого и ближнего инфракрасного диапазонов почти все прозрачные материалы имеют положительную дисперсию. Однако дисперсия стекловолокна может быть адаптирована для удовлетворения потребностей.
• Одно или несколько отражений между парой чирпированных зеркал или аналогичным устройством допускают любую форму щебета. Это часто используется в сочетании с другими методами для корректировки более высоких порядков.
• Dazzler является коммерческим формирователем импульсов , в которой свет дифрагируют от акустической волны. Регулируя время, частоту и амплитуду акустической волны, можно ввести произвольные дисперсионные функции с максимальной задержкой в ​​несколько пикосекунд.
• Фазосдвигающая маска может быть размещена в фокальной плоскости стретчера на рис. 2, что вносит дополнительную дисперсию. Такой маской может быть ЖК- матрица, фазовый сдвиг которой можно регулировать, изменяя напряжение на пикселях. Это может генерировать произвольные дисперсионные функции с максимальной задержкой в ​​несколько десятков пикосекунд. Такая установка называется формирователем импульсов .

Приложения [ править ]

CPA используется во всех самых мощных лазерах (более 100 тераватт ) в мире, за исключением Национального центра зажигания ≈ 500 ТВт . Некоторые примеры таких лазеров являются Vulcan лазера на Appleton Laboratory Rutherford «s Central Laser Facility , лазерный Diocles в Университете штата Небраска-Линкольн , на GEKKO XII лазера на объекте GEKKO XII в Институте лазерной техники в Университете Осаки , лазера OMEGA EP в университете Рочестера Лаборатории лазерной энергетики и теперь демонтирован петаваттный линия на бывшем лазере Novaв Ливерморской национальной лаборатории Лоуренса . Жерар Муру предложил использовать CPA для генерации высокоэнергетических лазерных импульсов малой длительности для трансмутации высокорадиоактивного материала (содержащегося в мишени), чтобы значительно сократить период его полураспада с тысяч лет до нескольких минут. ^{[7] [8]}

Помимо этих современных исследовательских систем, ряд коммерческих производителей продают CPA на основе титана: сапфира с пиковой мощностью от 10 до 100 гигаватт.

См. Также [ править ]

• Фемтотехнологии
• Групповая скорость
• Блокировка режима

Ссылки [ править ]