Công suất so với tình trạng khó xử về chiều rộng xung? Kiểm soát dạng sóng của công suất cực đại 100 tw 4.3 FS Sub - xung laser lưỡng cực thông qua tổng hợp trường
Là một công cụ cốt lõi để khám phá các trạng thái cực đoan của các quá trình động vật chất và cực nhanh, công nghệ xung laser ngắn - vẫn là một phần cắt -} tập trung vào quang học hiện đại. Gần đây, một nhóm nghiên cứu quốc tế từ Đại học Umeå ở Thụy Điển và Trung tâm nghiên cứu Eli Alps ở Hungary đã giải quyết thành công công suất - Trade Width Pulse Width Trade - TẮT trong các hệ thống tổng hợp quang hợp. Họ đã đạt được sub - hai - đầu ra laser chu kỳ với công suất cực đại là 100 TW và thời lượng xung chỉ là 4,3 fs. Tác phẩm này cung cấp hỗ trợ công nghệ quan trọng cho khoa học Attosecond thế hệ tiếp theo -, Vật lý plasma laser tương đối tính và quang học cực đoan. Nghiên cứu, có tiêu đề "Dạng sóng - Tổng hợp trường được kiểm soát của Sub - hai - xung ở cấp độ công suất cực đại 100 TW", đã được công bố trong số mới nhất của tự nhiên quang tử.
Khi "ngắn nhất" đáp ứng "mạnh nhất": giải quyết sức mạnh - giao dịch chiều rộng xung
Công nghệ laser cực nhanh đã đạt được tiến bộ đáng kể trong vài thập kỷ qua, phát triển theo hai hướng: một mặt, theo đuổi sức mạnh cao nhất cao hơn để tạo ra các điều kiện vật lý cực đoan; Mặt khác, theo đuổi thời lượng xung ngắn hơn để đạt được độ phân giải thời gian cao hơn. Các hạn chế vật lý của các hệ thống laser truyền thống hoạt động giống như "luật bảo tồn năng lượng": để đạt được các xung ngắn hơn, cần có băng thông quang phổ rộng hơn, nhưng hầu hết phương tiện tăng laser đều có băng thông hạn chế; Để đạt được công suất cao hơn, khoảng cách khuếch đại dài hơn và cần lưu trữ năng lượng lớn hơn, từ đó hạn chế mức độ nén xung.
So với các hệ thống laser sapphire titan truyền thống, công nghệ khuếch đại xung thông số quang học (OPCPA) hỗ trợ băng thông tăng rộng hơn, giúp đạt được các xung chu kỳ Sub-. Tuy nhiên, để thực sự đạt được 100 tw - đầu ra công suất cấp, công nghệ OPCPA phải đối mặt với nhiều thách thức kỹ thuật: làm thế nào để đạt được sự khuếch đại năng lượng hiệu quả trong khi duy trì băng thông rộng -? Làm thế nào để đảm bảo độ ổn định dài hạn - của giai đoạn phong bì vận chuyển (CEP)? Làm thế nào để đạt được độ tương phản thời gian đủ cao để tránh sự can thiệp xung trước -?
Trong nghiên cứu này, nhóm tác giả đã đổi mới từ hai hướng: tổng hợp trường kết hợp và thiết kế OPCPA nâng cao, giải quyết một cách có hệ thống các thách thức kỹ thuật chính như sức mạnh - Trade Width Pulse Width Trade - Tắt, độ ổn định pha.
Tổng hợp trường kết hợp và thiết kế OPCPA nâng cao
Để tạo Sub - Bipolar Ultra - Các xung ngắn, trước tiên cần phải tạo ra một băng thông quang phổ đủ rộng. Nhóm nghiên cứu sử dụng công nghệ tổng hợp trường kết hợp nối tiếp, chia toàn bộ phạm vi quang phổ (580 Ném1020nm) thành hai vùng bổ sung để khuếch đại riêng biệt, sau đó là tổng hợp kết hợp. Như được hiển thị trong Hình 1, hệ thống tổng hợp sóng ánh sáng của nhóm 100 (LWS100) sử dụng cấu trúc OPCPA tăng cường ba -. Mỗi giai đoạn bao gồm hai bộ khuếch đại tham số quang học: một được bơm bằng thế hệ điều hòa thứ hai 532nm, chịu trách nhiệm khuếch đại vùng ánh sáng đỏ (700 thép1020nm); và một cái khác được bơm bởi sóng hài thứ ba ở 355nm, chịu trách nhiệm khuếch đại vùng ánh sáng xanh (580 Ném700nm). Thiết kế này đạt được sự khuếch đại được phân đoạn, giống như đào tạo các phần khác nhau của một dàn nhạc một cách riêng biệt, đảm bảo sự khuếch đại hiệu quả của từng thành phần quang phổ trong khi duy trì sự kết hợp pha giữa các thành phần tần số khác nhau.
Hình 1 Thiết lập của OPCPA nâng cao LWS100
Hệ thống sử dụng - pha - khớp với boron - tinh thể borat (bbo) pha tạp như môi trường phi tuyến. Nhóm nghiên cứu đã kiểm soát chính xác giai đoạn - góc khớp (= 34.54 độ cho vùng ánh sáng màu xanh và=23.73 độ cho vùng ánh sáng đỏ) và góc không khác nhau.
Hình 2 Đo lường phổ (A) và mô phỏng (b) tiến hóa trong LWS100
Nhiều số liệu dữ liệu cho thấy hiệu suất hệ thống đặc biệt
Sự tập trung và đột phá cường độ cực đoan
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).
Hình 3 Đặc điểm phổ, thời gian và không gian của LWS100
Độ ổn định và độ tương phản của dạng sóng
Đối với phụ - double - xung laser chu kỳ, độ ổn định của pha phong bì vận chuyển (CEP) là rất quan trọng. CEP mô tả mối quan hệ pha tương đối giữa chất mang và phong bì và thậm chí các thay đổi nhỏ có thể ảnh hưởng đáng kể đến quá trình tương tác vật chất laser -. Nhóm đã áp dụng CEP thụ động - Mặt trước ổn định - Thiết kế kết thúc, đạt được khóa pha tự nhiên thông qua quy trình tạo tần số khác biệt (DFG). Như được hiển thị trong Hình 4, hệ thống đạt được sự ổn định của 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.
Hình 4 Sự ổn định và độ tương phản của dạng sóng của LWS100
Một số liệu quan trọng khác cho các hệ thống laser công suất cao - là độ tương phản theo thời gian - Tỷ lệ cường độ giữa xung chính và xung trước -. Thông qua kiến trúc OPCPA hoàn toàn và bố cục thành phần được tối ưu hóa, hệ thống đạt được độ tương phản theo thời gian vượt quá 11 bậc độ lớn. Cụ thể, bằng cách đặt một acousto - Bộ lọc phân tán có thể lập trình quang (Dazzler) sau bộ khuếch đại ánh sáng xanh - đầu tiên, tạo ra huỳnh quang tham số được triệt tiêu một cách hiệu quả, tăng cường đáng kể hiệu suất tương phản của hệ thống.
Độ phân giải siêu -
Mặc dù thời lượng xung là 4,3 FS đã gần với giới hạn vật lý, nhóm cũng đã chứng minh tiềm năng ứng dụng của công nghệ độ phân giải Super Super -. Bằng cách định hình phổ biên độ và loại bỏ có chọn lọc các thành phần quang phổ trong phạm vi 745 Ném825nm, thời lượng xung được giảm thêm xuống còn 3,7 FS, đạt được đầu ra xung FS Sub-4 thực sự. Kết quả là, công suất cực đại và cường độ cực đại đã giảm xuống còn 40% xung ban đầu, nhưng mức công suất 25 TW vẫn đủ để hỗ trợ các thí nghiệm khoa học cực nhanh và khoa học ATTOSECOND khác nhau.
Hình 5: Thời gian Super - Độ phân giải bằng LWS100 để tạo xung 4 FS
Nghiên cứu cho thấy một bộ khuếch đại xung chirped tham số quang học nâng cao cung cấp phụ - double - xung với kiểm soát dạng sóng và cường độ tương đối tương đối -. Tổng hợp trường nối tiếp cho phép khuếch đại mạnh mẽ của phổ trên gần một quãng tám cho Joule - năng lượng cấp độ. Theo cách này, xung 100 tw - với thời lượng 4,3 fs, độ ổn định của CEP và độ ổn định RMS dưới 300 MRAD đã được tạo ra. Tác giả của bài báo, Giáo sư Laszlo Veisz thuộc Đại học Tromsø, đã nói: "Sự đột phá của công nghệ này nằm trong - đầu tiên kết hợp của 100 tw - Các lĩnh vực biên giới như vật lý attosecond, quang học phi tuyến cực đoan và vật lý plasma tương đối tính. "
Nhóm nghiên cứu lưu ý rằng công nghệ này có khả năng mở rộng tiềm năng về tốc độ lặp lại, băng thông, thời lượng xung và năng lượng (sử dụng các tinh thể phi tuyến khác với kích thước bên lớn hơn). Trong tương lai, bằng cách tăng cường các kỹ thuật kiểm soát tổng hợp và phân tán trường nối tiếp, có thể tạo ra các xung chu kỳ Sub- với công suất cực đại Petawatt.
