Усиление чирпированных импульсов

Усиление чирпированного импульса ( CPA ) — это метод усиления ультракороткого лазерного импульса до уровня петаватт , при этом лазерный импульс растягивается во времени и спектрально, затем усиливается, а затем снова сжимается. ^{[ 1 ]} Для растяжения и сжатия используются устройства, которые обеспечивают перемещение различных цветовых компонентов импульса на разные расстояния.

CPA для лазеров был представлен 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 метод, используемый большинством мощных лазеров в мире.

Фон

До появления CPA в середине 1980-х годов пиковая мощность лазерных импульсов была ограничена, поскольку лазерный импульс с интенсивностью гигаватт таких на квадратный сантиметр наносит серьезный ущерб усиливающей среде посредством нелинейных процессов, как самофокусировка . Например, некоторые из самых мощных сжатых лазерных пучков CPA даже в несфокусированной большой апертуре (после выхода из решетки сжатия) могут превышать интенсивность 700 ГВт/см. ², который, если ему позволить распространяться в воздухе или в усиливающей среде лазера, мгновенно самофокусируется и образует плазму или вызывает распространение нити , что и то, и другое может разрушить желаемые качества исходного луча и даже может 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 уровнем высокого гигаватта или уровнем тераватт для очень больших многолучевых систем. удобства.

С другой стороны, в CPA сверхкороткий лазерный импульс растягивается во времени перед введением 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 и имеет большую длительность импульса , чем исходная, в 1000–100 000 раз .

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

Помимо более высокой пиковой мощности, CPA позволяет миниатюризировать лазерные системы (основную часть составляет компрессор). Компактный мощный лазер, известный как настольный тераваттный лазер (T ³ лазер, обычно доставляющий 1 джоуля энергию за 1 пикосекунду ), может быть создан на основе метода CPA. ^{[ 4 ]}

Конструкция носилок и компрессора

Существует несколько способов построения компрессоров и стретчеров. Однако типичный усилитель чирпированных импульсов на основе титан-сапфира требует, чтобы импульсы были растянуты до нескольких сотен пикосекунд, а это означает, что длина пути различных компонентов длины волны должна составлять около 10 см. Самый практичный способ добиться этого — использовать стретчеры и компрессоры на основе решеток. Стретчеры и компрессоры отличаются своей дисперсностью. При отрицательной дисперсии свету с более высокими частотами (более короткие волны) требуется меньше времени для прохождения через устройство, чем свету с более низкими частотами (более длинные волны). При положительной дисперсии все наоборот. В CPA дисперсия стретчера и компрессора должна уравновешиваться. Из практических соображений компрессор (высокой мощности) обычно проектируется с отрицательной дисперсией, а стретчер (маломощный) поэтому проектируется с положительной дисперсией.

В принципе, дисперсия оптического прибора является функцией $\tau (\omega )$ , где $\tau$ это временная задержка, испытываемая частотной составляющей $\omega$ . (иногда фаза $\phi (\omega )=2\pi \tau (\omega )c/\lambda (\omega )$ используется, где $c$ - скорость света и $\lambda$ — 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 дисперсионные элементы.

С решетками

На рисунке 1 показана простейшая конфигурация решетки, в которой длинноволновые компоненты перемещаются на 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 отсутствуют передающие компоненты, которые могут привести к нежелательным побочным эффектам при работе с импульсами высокой интенсивности. Дисперсию можно легко настроить, изменяя расстояние между двумя решетками. Вносимая таким компрессором дисперсия часто описывается порядками дисперсии: дисперсией групповой задержки (ДГЗ), дисперсией третьего порядка (ТОД) и т. д. На рис. 2 показаны порядки дисперсии для решеточного компрессора с плотностью канавок $\sigma =1700\;\mathrm {lines/mm}$ , угол падения $\theta _{in}=65^{\circ }$ и нормальное решетчатое разделение $L=25\;\mathrm {cm}$ , как описано в оригинальном дизайне Донны Стрикленд и Жерара Муру (1985), ^{[ 2 ]} и оценивается с использованием оптического формализма Ла-Лагерра - обобщенной формулировки высших порядков дисперсии. ^{[ 5 ]}^{[ 6 ]}

На рис. 3 показана более сложная конфигурация решетки, включающая фокусирующие элементы, изображенные здесь в виде линз. Линзы расположены на расстоянии $2f$ друг от друга (они действуют как телескоп 1:1), а на расстоянии $L$ из решеток. Если $L<f$ установка действует как расширитель положительной дисперсии , и если $L>f$ , это расширитель с отрицательной дисперсией . $L=f$ Корпус используется при формировании фемтосекундных импульсов . Обычно фокусирующим элементом является сферическое или цилиндрическое зеркало, а не линза. Как и в конфигурации, показанной на рисунке 1, можно использовать дополнительное зеркало и использовать одну решетку, а не две отдельные. Эта установка требует, чтобы диаметр луча был очень мал по сравнению с длиной телескопа; в противном случае будут внесены нежелательные аберрации. По этой причине его обычно используют в качестве стретчера перед этапом усиления, поскольку затравочные импульсы низкой интенсивности можно коллимировать в пучок небольшого диаметра.

С призмами

Рисунок 4. Подрамник призмы. Эта конфигурация имеет положительную дисперсию. Хотя кажется, что разные длины волн распространяются по очень разным путям, различия в эффективной длине пути довольно малы, на что указывают цвета рассеянного импульса.

В качестве дисперсионных элементов можно использовать призмы , а не решетки, как показано на рисунке 4. Несмотря на такое простое изменение, установка ведет себя совершенно по-другому, поскольку в первом порядке дисперсия групповой задержки не вводится. Такой стретчер/компрессор может иметь как положительную, так и отрицательную дисперсию, в зависимости от геометрии и свойств материала призм. При использовании линз знак дисперсии можно изменить, как показано на рисунке 3. При заданном расстоянии между дисперсионными 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 с компрессором решеток. Решетки теряют мощность в других порядках, а призмы теряют мощность из-за рэлеевского рассеяния . В качестве примера на рисунке 5 показаны порядки дисперсии компрессора, состоящего из пары призм из плавленого кварца, для переменной глубины введения первой призмы. $\ell _{1}$ . Дисперсия оценена для лазерных импульсов при $780{\text{ nm}}$ со спектральной шириной полосы $\Delta \lambda =30{\text{ nm}}$ , используя оптический формализм Ла-Лагерра - обобщенную формулировку высших порядков дисперсии. ^{[ 5 ]}^{[ 6 ]} Параметры компрессора при угле падения, близком к Брюстеру: нормальное расстояние между призмами $L=30{\text{ cm}}$ , глубина вставки второй призмы $\ell _{2}={\text{1 mm}}$ в $\lambda _{min}$ и угол при вершине призм из кварцевого стекла $\alpha =69.06^{\circ }$ . Конкретные значения зависят от материала призмы, интересующей длины волны, а также от параметров компрессора.

ОВФ чирпированных импульсов

Чирпирующие импульсы от $N$ лазерные усилители могут быть синхронизированы по фазе за счет отражения от фазовращающего зеркала. ^{[ 7 ]} чтобы увеличить яркость как $N^{2}$ . вырожденное четырехволновое смешение Керровского ОВФ . Для этой цели актуально ^{[ 8 ]}

Другие методы

Для растяжения и сжатия импульсов можно использовать и некоторые другие методы, но они не подходят в качестве основного расширителя/компрессора в CPA из-за ограниченной степени дисперсии и неспособности обрабатывать импульсы высокой интенсивности.

Импульс можно растянуть, просто пропустив его через толстую пластину прозрачного материала, например стекло толщиной 200 мм. лишь ограниченной дисперсии . Как и в случае с призмами, в пределах физически практичных размеров можно достичь За пределами спектра видимого света существуют материалы как с положительной, так и с отрицательной дисперсией. Для видимых и ближних инфракрасных волн почти все прозрачные материалы имеют положительную дисперсию. Однако дисперсию стеклянных волокон можно адаптировать в соответствии с потребностями.
Одно или несколько отражений между парой чирпирующих зеркал или аналогичным устройством допускают любую форму чирпа. Это часто используется в сочетании с другими методами для коррекции более высоких порядков.
Dazzler — это коммерческий формирователь импульсов , в котором свет дифрагируется от акустической волны. Настраивая время, частоту и амплитуду акустической волны, можно ввести произвольные дисперсионные функции с максимальной задержкой в несколько пикосекунд.
В фокальной плоскости стретчера на рис. 3 можно разместить фазосдвигающую маску, которая вносит дополнительную дисперсию. Такой маской может быть ЖК- матрица, фазовый сдвиг которой можно настраивать путем изменения напряжения на пикселях. Это может генерировать произвольные дисперсионные функции с задержкой максимум в несколько десятков пикосекунд. Такая установка называется формирователь импульсов .

Приложения

CPA используется во всех лазерах самой высокой мощности (более 100 тераватт ) в мире, за исключением Национальной установки зажигания мощностью ≈500 ТВт . Некоторыми примерами этих лазеров являются лазер Vulcan в Резерфорда Эпплтона лаборатории Центральной лазерной установке , лазер Diocles в Университете Небраски-Линкольна , лазер GEKKO XII на установке GEKKO XII в Институте лазерной техники Университета Осаки , лазеры OMEGA и OMEGA EP Рочестерского университета в Лаборатории лазерной энергетики и ныне демонтированная петаваттная линия бывшего лазера Nova в Ливерморской национальной лаборатории Лоуренса . Жерар Муру предложил использовать CPA для генерации лазерных импульсов высокой энергии и малой длительности для трансмутации высокорадиоактивного материала (содержащегося в мишени), чтобы значительно сократить период его полураспада с тысяч лет до нескольких минут. ^{[ 9 ]}^{[ 10 ]}

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

См. также

Ссылки

^ Пашотта, Рюдигер (1 июля 2017 г.). «Усиление чирпированных импульсов» . Энциклопедия фотоники RP . Проверено 2 октября 2018 г.
^ Перейти обратно: ^а ^б Стрикленд, Донна ; Муру, Жерар (1985). «Сжатие усиленных чирпированных оптических импульсов» . Оптические коммуникации . 56 (3). Эльзевир Б.В.: 219–221. Бибкод : 1985OptCo..56..219S . CiteSeerX 10.1.1.673.148 . дои : 10.1016/0030-4018(85)90120-8 . ISSN 0030-4018 .
^ «Нобелевская премия по физике 2018» . Нобелевский фонд . Проверено 2 октября 2018 г.
^ МакКрори, Роберт Л. (октябрь 2006 г.). Сверхбыстрая революция в усилении чирпированных импульсов от настольных тераваттных до петаваттных лазерных систем (PDF) . Границы оптики 2006 . Рочестер, Нью-Йорк.
^ Перейти обратно: ^а ^б Попминчев, Димитар; Ван, Сиянг; Сяоши, Чжан; Стоев, Венцислав; Попминчев, Тенио (24 октября 2022 г.). «Аналитический оптический формализм Ла-Лагерра для пертурбативной хроматической дисперсии» . Оптика Экспресс . 30 (22): 40779–40808. Бибкод : 2022OExpr..3040779P . дои : 10.1364/OE.457139 . ПМИД 36299007 .
^ Перейти обратно: ^а ^б Попминчев, Уйти в отставку; Ван, Сиянг; Сяоши, Чжан; Стоев, официантка; Попминчев, Тенио (30 августа 2020 г.). «Возвращение к теории хроматической дисперсии». arXiv : 2011.00066 [ физика.оптика ].
^ Басов Н.Г.; Зубарев И.Г.; Миронов А.Б.; Михайлов С.И.; Окулов, А Ю (1980). «Лазерный интерферометр с зеркалами, обращающими волновой фронт». Сов. Физ. ЖЭТФ . 52 (5):847. Бибкод : 1980ЖЭТФ..79.1678Б .
^ Окулов, А Ю (2014). «Лазерная сеть когерентных чирпированных импульсов с фазовым преобразователем Микельсона». Прикладная оптика . 53 (11): 2302–2311. arXiv : 1311.6703 . Бибкод : 2014ApOpt..53.2302O . дои : 10.1364/AO.53.002302 . ПМИД 24787398 . S2CID 118343729 .
^ Фуке, Элен; Рут, Видья Н.; Уоррен, Хейли. «Лауреат Нобелевской премии мог бы найти решение проблемы ядерных отходов» . Блумберг . Проверено 9 сентября 2020 г.
^ «Как лазеры могут решить глобальную проблему ядерных отходов» . 8 апреля 2019 г.

[1] Пашотта, Рюдигер (1 июля 2017 г.). «Усиление чирпированных импульсов» . Энциклопедия фотоники RP . Проверено 2 октября 2018 г.

[StricklandMourou-2] Перейти обратно: ^а ^б Стрикленд, Донна ; Муру, Жерар (1985). «Сжатие усиленных чирпированных оптических импульсов» . Оптические коммуникации . 56 (3). Эльзевир Б.В.: 219–221. Бибкод : 1985OptCo..56..219S . CiteSeerX 10.1.1.673.148 . дои : 10.1016/0030-4018(85)90120-8 . ISSN 0030-4018 .

[N18-3] «Нобелевская премия по физике 2018» . Нобелевский фонд . Проверено 2 октября 2018 г.

[4] МакКрори, Роберт Л. (октябрь 2006 г.). Сверхбыстрая революция в усилении чирпированных импульсов от настольных тераваттных до петаваттных лазерных систем (PDF) . Границы оптики 2006 . Рочестер, Нью-Йорк.

[Lah-Laguerre1-5] Перейти обратно: ^а ^б Попминчев, Димитар; Ван, Сиянг; Сяоши, Чжан; Стоев, Венцислав; Попминчев, Тенио (24 октября 2022 г.). «Аналитический оптический формализм Ла-Лагерра для пертурбативной хроматической дисперсии» . Оптика Экспресс . 30 (22): 40779–40808. Бибкод : 2022OExpr..3040779P . дои : 10.1364/OE.457139 . ПМИД 36299007 .

[Lah-Laguerre2-6] Перейти обратно: ^а ^б Попминчев, Уйти в отставку; Ван, Сиянг; Сяоши, Чжан; Стоев, официантка; Попминчев, Тенио (30 августа 2020 г.). «Возвращение к теории хроматической дисперсии». arXiv : 2011.00066 [ физика.оптика ].

[Okulov,_A_YU_1980-7] Басов Н.Г.; Зубарев И.Г.; Миронов А.Б.; Михайлов С.И.; Окулов, А Ю (1980). «Лазерный интерферометр с зеркалами, обращающими волновой фронт». Сов. Физ. ЖЭТФ . 52 (5):847. Бибкод : 1980ЖЭТФ..79.1678Б .

[Okulov,_A_Yu_2014-8] Окулов, А Ю (2014). «Лазерная сеть когерентных чирпированных импульсов с фазовым преобразователем Микельсона». Прикладная оптика . 53 (11): 2302–2311. arXiv : 1311.6703 . Бибкод : 2014ApOpt..53.2302O . дои : 10.1364/AO.53.002302 . ПМИД 24787398 . S2CID 118343729 .

[9] Фуке, Элен; Рут, Видья Н.; Уоррен, Хейли. «Лауреат Нобелевской премии мог бы найти решение проблемы ядерных отходов» . Блумберг . Проверено 9 сентября 2020 г.

[10] «Как лазеры могут решить глобальную проблему ядерных отходов» . 8 апреля 2019 г.

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]

[ 10 ]

v т и Лазеры
List of laser articles List of laser types List of laser applications Laser acronyms
Types of lasers	Chemical laser Dye laser Bubble Liquid-crystal Gas laser Carbon dioxide Excimer Helium–neon Ion Nitrogen Free-electron laser Laser diode Solid-state laser Er:YAG Nd:YAG Raman Ruby Ti-sapphire X-ray laser
Laser physics	Active laser medium Amplified spontaneous emission Continuous wave Laser ablation Laser linewidth Lasing threshold Population inversion Ultrashort pulse
Laser optics	Beam expander Beam homogenizer Chirped pulse amplification Gain-switching Gaussian beam Injection seeder Laser beam profiler M squared Mode locking Multiple-prism grating laser oscillator Optical amplifier Optical cavity Optical isolator Output coupler Q-switching
Category