Potència vs. Dilemma d’amplada de pols? Controlar la forma d'ona de 100 TW Peak Power 4.3 FS sub - polsos làser bipolar mitjançant la síntesi de camp
Com a eina bàsica per explorar els estats extrems de la matèria i els processos dinàmics ultrafastos, la tecnologia FemTosegond Ultra - curt Pulse làser ha estat un focus de tall - en les òptiques modernes. Recentment, un equip de recerca internacional de la Universitat Umeå de Suècia i el Centre de Recerca Eli Alps a Hongria va resoldre amb èxit el Power - Pulse Width Trade {{4} OF esquemes. Van aconseguir sub - dos - Sortida làser amb una potència màxima de 100 TW i una durada de pols de només 4,3 fs. Aquest treball proporciona un suport tecnològic crític per a la propera - Science Attosecond Science, la física del plasma làser relativista i l'òptica extrema. L'estudi, titulat "Forma d'ona - Síntesi de camp controlat de Sub - Dos {{16} pulsos de cicle al nivell de potència màxima de 100 TW", es va publicar a l'últim número de Nature Photonics.
Quan "més curt" es troba amb més fort ": resoldre la potència - width width comerç -
La tecnologia làser ultrafast ha fet progressos significatius durant les últimes dècades, evolucionant en dues direccions: d’una banda, perseguint un poder màxim més alt per crear condicions físiques extremes; D'altra banda, perseguint una durada de pols més curta per aconseguir una resolució temporal més elevada. Les limitacions físiques dels sistemes làser tradicionals actuen com una "llei de conservació de l'energia": per aconseguir polsos més curts, cal una amplada de banda espectral més àmplia, però la majoria de medis de guany làser tenen una amplada de banda limitada; Per aconseguir una potència més elevada, es necessiten distàncies d’amplificació més llargues i major emmagatzematge d’energia, cosa que al seu torn limita l’extensió de la compressió del pols.
En comparació amb els sistemes tradicionals de làser de safir de titani, la tecnologia OpcPA d'amplificació de pols paramètrica paramètrica (OPCPA) admet una amplada de banda de guany més àmplia, cosa que permet aconseguir els polsos de cicle sub-. Tanmateix, per aconseguir realment 100 TW - Sortida de potència de nivell, la tecnologia OPCPA s’enfronta a nombrosos reptes tècnics: com aconseguir una amplificació energètica eficient mantenint Ultra - amplada de banda ampla? Com assegurar la llarga estabilitat del terme - de la fase de sobre del portador (CEP)? Com aconseguir un contrast temporal prou alt per evitar la interferència de pols pre -?
En aquest treball de recerca, l’equip de l’autor va innovar des de dues direccions: la síntesi de camp coherent i el disseny OPCPA millorat, abordant sistemàticament reptes tècnics clau com la potència - Comerç d’amplada de pols - de desactivació, estabilitat de fase i contrast temporal que s’enfronten a les làseres tradicionals ultra -.
Síntesi de camp coherent i disseny OPCPA millorat
Per generar sub - bipolar ultra - polsos curts, primer és necessari produir una amplada de banda espectral prou àmplia. L’equip va utilitzar la tecnologia de síntesi de camp coherent en sèrie, dividint tot el rang espectral (580-1020 nm) en dues regions complementàries per a una amplificació separada, seguida de síntesi coherent. Com es mostra a la figura 1, el sistema Synthesizer 100 (LWS100) de l'equip utilitza una estructura OPCPA millorada de tres -. Cada etapa inclou dos amplificadors paramètrics òptics: un bombat per 532 nm segona generació harmònica, responsable de l'amplificació de la regió de la llum vermella (700-1020 nm); i un altre bombat pel tercer harmònic a 355 nm, responsable d’amplificar la regió de la llum blava (580-700 nm). Aquest disseny aconsegueix una amplificació segmentada, similar a l’entrenament de diferents seccions d’una orquestra per separat, garantint una amplificació eficient de cada component espectral mantenint la coherència de fase entre diferents components de freqüència.
Figura 1 Configuració de l'OPCPA millorat LWS100
El sistema utilitza - fase - Boron coincident - borate borat dopat (BBO) com a medi no lineal. L’equip d’investigació va controlar precisament l’angle de coincidència - (θ=34.54 graus per a la regió de la llum blava i θ=23.73 grau per a la regió de llum vermella) i l’angle col·linear no - per assegurar l’amplificació sincronitzada de la llum a diferents longituds d’ona.
Figura 2 Mesura espectral (A) i Evolució de la simulació (B) en el LWS100
Múltiples mètriques de dades revelen un rendiment excepcional del sistema
Avenç d'enfocament i intensitat extrem
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).
Figura 3 Característiques espectrals, temporals i espacials del LWS100
Estabilitat i contrast en forma d'ona
Per a sub - doble - ciclisme làser Pulses, l'estabilitat de la fase d'embolcall del portador (CEP) és fonamental. CEP descriu la relació de fase relativa entre el portador i el sobre, i fins i tot els canvis menors poden afectar significativament el procés d’interacció de la matèria làser -. L’equip va adoptar un disseny final CEP - Front estable - End Disseny, aconseguint el bloqueig de fase natural mitjançant el procés de generació de freqüència de diferència (DFG). Com es mostra a la figura 4, el sistema aconsegueix l'estabilitat del CEP de<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.
Figura 4 Estabilitat de la forma d'ona i el contrast del LWS100
Una altra mètrica crítica per als sistemes làser de potència High - és el contrast temporal - La relació d’intensitat entre el pols principal i el pols pre -. Mitjançant una arquitectura completament OPCPA i un disseny de components optimitzats, el sistema aconsegueix un contrast temporal superior a 11 ordres de magnitud. Concretament, col·locant un filtre de dispersió programable programable Acousto - (Dazzler) després del primer amplificador de llum blava -, la generació de fluorescència paramètrica es suprimeix efectivament, millorant significativament el rendiment del contrast del sistema.
Resolució temporal super -
Tot i que una durada de pols de 4.3 FS ja està a prop del límit físic, l'equip també va demostrar el potencial d'aplicació de la tecnologia de resolució temporal Super -. Amb la conformació espectralment de l'amplitud i eliminant selectivament els components espectrals en el rang de 745-825 nm, la durada del pols es va reduir encara més a 3,7 fs, aconseguint la veritable sortida de pols Sub-4 FS. Com a resultat, la potència màxima i la intensitat màxima es van reduir fins al 40% del pols original, però el nivell de potència de 25 TW continua sent suficient per suportar diversos espectroscòpia ultra ràpida i experiments de ciència atosegona.
Figura 5: Resolució Super - mitjançant LWS100 per generar polsos sub-4 FS
L’estudi demostra un amplificador de pols paramètric òptic millorat que proporciona els polsos de cicle Sub - doble - amb control de forma d’ona i ultra - intensitat relativista. La síntesi de camp en sèrie permet una amplificació robusta de l'espectre a gairebé una octava a Joule - energia de nivell. D’aquesta manera, es va crear un pols de nivell de 100 TW - amb una durada de 4,3 fs, estabilitat CEP i una estabilitat RMS per sota de 300 MRAD. L’autor de l’article, el professor Laszlo Veisz de la Universitat de Tromsø, va declarar: "L’avanç d’aquesta tecnologia es troba en la primera combinació - de 100 TW {{13} de nivell amb sub - bifàsic durada del pols, demostrant eines d’investiga Diversos camps de frontera com la física atosegona, òptica no lineal extrema i física del plasma relativista. "
L’equip d’investigació va assenyalar que aquesta tecnologia té una potencial escalabilitat en termes de taxa de repetició, amplada de banda, durada del pols i energia (utilitzant altres cristalls no lineals amb dimensions laterals més grans). En el futur, mitjançant la millora de les tècniques de síntesi de camp en sèrie i de control de dispersió, pot ser possible generar polsos de cicle sub - amb potència màxima Petawatt.
