Увиновленная импульсная амплификация

Усиление импульсного импульса ( CPA ) представляет собой метод усиления ультрасортного лазерного импульса до уровня Петаватта , при этом лазерный импульс растягивается временно и спектрально, затем усиливается, а затем снова сжимается. ^{[ 1 ]} Растяжение и сжатие используют устройства, которые гарантируют, что различные цветовые компоненты пульса проходят разные расстояния.

CPA для лазеров была представлена Донной Стрикленд и Жерар Муру в Университете Рочестера в середине 1980-х годов, ^{[ 2 ]} Работа, за которую они получили Нобелевскую премию по физике в 2018 году. ^{[ 3 ]}

CPA-это техника, используемая большинством мощных лазеров в мире.

Фон

Перед введением CPA в середине 1980-х годов пиковая сила лазерных импульсов была ограничена, поскольку лазерный импульс при интенсивности гигаватт таким на квадратный сантиметр наносит серьезный ущерб среде усиления благодаря нелинейным процессам, как самоофокусировка . Например, некоторые из наиболее мощных сжатых лазерных лучей CPA, даже в сфокусированной большой апертуре (после выхода из сжатой решетки) могут превышать интенсивности 700 ГВт/см. ², что, если позволить распространять воздух или среду усиления лазера, мгновенно самоофокусируется и образует плазму или вызывает распространение филаментов , оба из которых разрушили бы желательные качества оригинального луча и даже могут вызвать обратное повторение, что может повредить компоненты лазера. Чтобы сохранить интенсивность лазерных импульсов ниже порога нелинейных эффектов, лазерные системы должны были быть большими и дорогими, а пиковая мощность лазерных импульсов была ограничена высоким уровнем гигаватта или уровнем Terawatt для очень большого мульти-лучи удобства.

В CPA, с другой стороны, ультраколовый лазерный импульс растягивается вовремя, прежде чем ввести его в среду усиления, используя пару сборов , которые расположены так, чтобы низкочастотный компонент лазерного импульса проходит по более короткому пути, чем в Высокочастотный компонент делает. Проходя через пару решетки, лазерный импульс становится положительно щебеченным , то есть высокочастотный компонент отстает от низкочастотного компонента и имеет более длительную продолжительность импульса , чем оригинал в течение 1000-100 000 .

Затем растянутый импульс, интенсивность которого достаточно низкая по сравнению с пределом интенсивности гигаватт на квадратный сантиметр, безопасно введен в среду усиления и усиливается в течение миллиона или более. Наконец, амплифицированный лазерный импульс возвращается обратно к исходной ширине импульса посредством изменения процесса растяжения, достигая приказов более высокой пиковой мощности, чем лазерные системы, могут генерировать до изобретения CPA.

В дополнение к более высокой пиковой мощности, CPA позволяет миниатюризировать лазерные системы (компрессор является большой частью). Компактный мощный лазер, известный как настольный лазер Terawatt (T ³ Лазер, обычно доставляющий 1 джоул энергии в пределах 1 пикосекунд ), может быть создан на основе техники CPA. ^{[ 4 ]}

Дизайн носилки и компрессора

Есть несколько способов построить компрессоры и носилки. Тем не менее, типичный усилитель с чирпед-пульсом на основе сапфира требует, чтобы импульсы растянуты до нескольких сотен пикосекунд, что означает, что различные компоненты длины волны должны испытывать разницу в 10 см в длине пути. Наиболее практичный способ достижения этого-с помощью нотков на основе решетки и компрессоров. Носилки и компрессоры характеризуются их дисперсией. При отрицательной дисперсии свет с более высокими частотами (более короткие длины волн) требует меньше времени, чтобы пройти через устройство, чем свет с более низкими частотами (более длинные длина волн). С позитивной дисперсией это наоборот. В CPA дисперсии носилка и компрессора должны отменить. Из-за практических соображений (мощный) компрессор обычно разработан с негативной дисперсией, и поэтому (низкопроизводительный) носилки предназначены с положительной дисперсией.

В принципе, дисперсия оптического устройства является функцией $\tau (\omega )$ , где $\tau$ задержка времени, испытываемая частотным компонентом $\omega$ Полем (Иногда фаза $\phi (\omega )=2\pi \tau (\omega )c/\lambda (\omega )$ используется, где $C$ - скорость света и $\lambda$ это длина волны.) Каждый компонент во всей цепи от семян -лазера до выхода компрессора способствует дисперсии. Оказывается, трудно настроить дисперсии носилка и компрессор, так что полученные импульсы короче, чем около 100 фемтосекунд. Для этого могут потребоваться дополнительные дисперсионные элементы.

С решетками

На рисунке 1 показана самая простая конфигурация решетки, где длинноволновые компоненты проходят на большем расстоянии, чем коротковолновые компоненты (отрицательная дисперсия). Часто используется только одна решетка, с дополнительными зеркалами, так что луч поражает решетку в четыре раза, а не в два раза, как показано на рисунке.

Эта установка обычно используется в качестве компрессора, поскольку она не включает в себя трансмиссивные компоненты, которые могут привести к нежелательным побочным эффектам при работе с импульсами высокой интенсивности. Дисперсия может быть легко настроена, изменяя расстояние между двумя решетками. Введенная дисперсия таким компрессором часто описывается в распоряжениях дисперсии: дисперсия группы задержки (GGD), третий порядок дисперсии (TOD) и т. Д. На рисунке 2 показаны распоряжения дисперсии для решетки с плотностью канавки $\sigma =1700\;\mathrm {lines/mm}$ , угол заболеваемости $\theta _{in}=65^{\circ }$ и нормальное разделение решетки $L=25\;\mathrm {cm}$ , как описано в оригинальном дизайне Донны Стрикленд и Жерар Муру (1985), ^{[ 2 ]} и оценивается с использованием оптического формализма Lah -Laguerre - генерализованная формулировка высоких порядков дисперсии. ^{[ 5 ]}^{[ 6 ]}

На рисунке 3 показана более сложная конфигурация решетки, которая включает в себя фокусировку элементов, изображенные как линзы. Линзы расположены на расстоянии $2f$ друг от друга (они действуют как телескоп 1: 1) и на расстоянии $L$ из решений. Если $L<f$ , настройка действует как положительный дисксионный носитель и если $L>f$ , это носитель отрицательного расселения . А $L=f$ Корпус используется в формировании импульсов фемтосекунды . Обычно элемент фокусировки представляет собой сферическое или цилиндрическое зеркало, а не объектив. Как и в случае конфигурации на рисунке 1, можно использовать дополнительное зеркало и использовать одну решетку, а не два отдельных. Эта установка требует, чтобы диаметр луча был очень мал по сравнению с длиной телескопа; В противном случае нежелательные аберрации будут введены. По этой причине он обычно используется в качестве носилка перед стадией амплификации, поскольку импульсы семян низкой интенсивности можно коллимировать до луча с небольшим диаметром.

С призмами

Рисунок 4. Prism Ratcherer. Эта конфигурация имеет положительную дисперсию. Хотя различные длина волн, по -видимому, движутся по очень разным путям, эффективные различия в длине пути довольно малы, как указывают цвета диспергированного импульса.

Можно использовать призмы , а не в качестве дисперсионных элементов, как на рисунке 4. Несмотря на такое простое изменение, настройка ведет себя совершенно по-другому, так как в первом порядке дисперсия задержки в первом порядке не вводится. Такой носилки/компрессор может иметь как положительную, так и отрицательную дисперсию, в зависимости от геометрии и материалов Prisms. С линзами признак дисперсии может быть обращена вспять, аналогично рисунку 3. Для данного расстояния между дисперсионными элементами призмы генерируют гораздо меньшую дисперсию, чем сражения. Призмы и решетки иногда объединяются, чтобы исправить дисперсию более высокого порядка («гризмы»), и в этом случае расстояние между призмами составляет порядка 10 метров, а не 50 см, как с компрессором решетки. Решетки теряют власть в других порядках, в то время как призмы теряют власть из -за рассеяния Рэлея . Например, рассеянные порядок компрессора Prism-Pair Prism Prism Prism и кремнезема показаны на рисунке 5 для глубины переменной вставки первой призмы $\ell _{1}$ Полем Дисперсия оценивается для лазерных импульсов на $780{\text{ nm}}$ с спектральной полосой пропускания $\Delta \lambda =30{\text{ nm}}$ , используя оптическую формализм Lah -Laguerre - генерализованная формулировка высоких порядков дисперсии. ^{[ 5 ]}^{[ 6 ]} Параметры компрессора при угла падения Брюстера: Нормальное расстояние между призмами $L=30{\text{ cm}}$ , глубина вставки второй призмы $\ell _{2}={\text{1 mm}}$ в $\lambda _{min}$ и вершина угол плавных призмов кремнезема $\alpha =69.06^{\circ }$ Полем Особые значения зависят от призму, интересующей длины волны, а также от параметров компрессора.

Фазовое сопряжение чирпленных импульсов

Щебетали импульсы от $N$ Лазерные усилители могут быть заблокированы фазой через отражение от фазового зеркала ^{[ 7 ]} повысить яркость как $N^{2}$ Полем дегенерация четырехволнового смешения фазы Kerr. Для этого актуально ^{[ 8 ]}

Другие методы

Некоторые другие методы могут использоваться для растягивания и сжатия импульсов, но они не подходят в качестве основного носилка/компрессора в CPA из-за их ограниченного количества дисперсии и из-за их неспособности обрабатывать высокоинтенсивные импульсы.

Импульс может быть растянут, просто позволив ему распространяться через толстую плиту прозрачного материала, такого как 200 -мм стекло. Как и в случае с призмами, в физически практических измерениях может быть достигнуто лишь ограниченное количество дисперсии . За пределами спектра видимого света материалы существуют как для положительной, так и для отрицательной дисперсии. Для видимых и почти инфракрасных длин волн почти все прозрачные материалы имеют положительную дисперсию. Тем не менее, стеклянные волокна может иметь свою дисперсию, адаптированную для удовлетворения потребностей.
Одно или несколько отражений между парой чирленных зеркал или аналогичным устройством позволяют любую форму чирпа. Это часто используется в сочетании с другими методами, чтобы исправить для более высоких заказов.
Dazzler - это коммерческий импульсный формы , в котором свет дифрагируется от акустической волны. Настраивая время, частоту и амплитуду акустической волны, можно ввести произвольные функции дисперсии с максимальной задержкой нескольких пикосекунд.
Маска с изменением фазы может быть помещена в фокальную плоскость носилка на рис. 3, которая вводит дополнительную дисперсию. Такая маска может быть ЖК -массивом, где сдвиг фазы можно настроить путем изменения напряжения на пикселях. Это может генерировать произвольные функции дисперсии с максимум нескольких десятков пикосекунд задержки. Такая настройка называется импульсным формированием .

Приложения

CPA используется во всех лазерах с самой высокой мощностью (больше около 100 тераватт ) в мире, за исключением национального зажигания ≈500 TW . Some examples of these lasers are the Vulcan laser at the Rutherford Appleton Laboratory 's Central Laser Facility , the Diocles laser at the University of Nebraska–Lincoln , the GEKKO XII laser at the GEKKO XII facility in the Institute for Laser Engineering at Osaka University , Omega Omega и EP -лазеры в лаборатории Рочестерской лаборатории для лазерной энергетики и в настоящее время демонтировали линию Petawatt на бывшем лазере Nova в Национальной лаборатории Лоуренса Ливермор . Жерард Муру предложил использовать CPA для генерации высокоэнергетических и низких лазерных импульсов для трансформации высоко радиоактивного материала (содержащегося в цели), чтобы значительно сократить свой период полураспада, от тысяч лет до нескольких минут. ^{[ 9 ]}^{[ 10 ]}

Помимо этих самых современных исследований, ряд коммерческих производителей продают CPA на основе сапфира с пиковыми мощностями от 10 до 100 гигаватт.

Смотрите также

Ссылки

^ Пасшотта, Рудигер (1 июля 2017 г.). «Чирп-пульс-амплификация» . RP Photonics Encyclopedia . Получено 2 октября 2018 года .
^ Jump up to: ^а ^{беременный} Стрикленд, Донна ; Муру, Джерард (1985). «Сжатие амплифицированных чирпных оптических импульсов» . Оптическая коммуникация . 56 (3). Elsevier BV: 219–221. Bibcode : 1985optco..56..219s . Citeseerx 10.1.1.673.148 . doi : 10.1016/0030-4018 (85) 90120-8 . ISSN 0030-4018 .
^ «Нобелевская премия по физике 2018» . Нобелевский фонд . Получено 2 октября 2018 года .
^ МакКрори, Роберт Л. (октябрь 2006 г.). Сверхбытная революция амплификации чирпед-пульса от настольных тераватт до лазерных систем Petawatt (PDF) . Границы в Optics 2006 . Рочестер, Нью -Йорк.
^ Jump up to: ^а ^{беременный} Popmintchev, Dimitar; Ван, Сиян; Сяоши, Чжан; Стоев, Венцислав; Popmintchev, Tenio (2022-10-24). «Аналитическая оптическая формализм Lah-Laguerre для возмущной хроматической дисперсии» . Optics Express . 30 (22): 40779–40808. BIBCODE : 2022OEXPR..3040779P . doi : 10.1364/OE.457139 . PMID 36299007 .
^ Jump up to: ^а ^{беременный} Popmintchev, Dimitar; Ван, Сиян; Xaoshi, Zhang; Стоев, Венцислав; Popmintchev, Tenio (2020-08-30). «Теория хроматической дисперсии, повторная» Arxiv : 2011.00066 [ Physics.optics ]
^ Basov, Ng; Zubarev, Ig; Миронов, AB; Михайлов, Си; Окулов, Ю (1980). «Лазерный интерферометр с реверсирующими зеркалами волнового фронта». Сов. Физический Придурок . 52 (5): 847. Bibcode : 1980zhetf..79.1678b .
^ Окулов, Ю (2014). «Когерентная чирпная пульсная лазерная сеть с фазовым конъюгатором Микельсона». Прикладная оптика . 53 (11): 2302–2311. Arxiv : 1311.6703 . Bibcode : 2014Apopt..53.2302O . doi : 10.1364/ao.53.002302 . PMID 24787398 . S2CID 118343729 .
^ Фуке, Хелен; Корень, Видья Н.; Уоррен, Хейли. «Победитель Нобелевской премии может иметь решение для ядерных отходов» . Блумберг . Получено 2020-09-09 .
^ «Как лазеры могут решить глобальную проблему с ядерными отходами» . 8 апреля 2019 года.

[1] Пасшотта, Рудигер (1 июля 2017 г.). «Чирп-пульс-амплификация» . RP Photonics Encyclopedia . Получено 2 октября 2018 года .

[StricklandMourou-2] Jump up to: ^а ^{беременный} Стрикленд, Донна ; Муру, Джерард (1985). «Сжатие амплифицированных чирпных оптических импульсов» . Оптическая коммуникация . 56 (3). Elsevier BV: 219–221. Bibcode : 1985optco..56..219s . Citeseerx 10.1.1.673.148 . doi : 10.1016/0030-4018 (85) 90120-8 . ISSN 0030-4018 .

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

[4] МакКрори, Роберт Л. (октябрь 2006 г.). Сверхбытная революция амплификации чирпед-пульса от настольных тераватт до лазерных систем Petawatt (PDF) . Границы в Optics 2006 . Рочестер, Нью -Йорк.

[Lah-Laguerre1-5] Jump up to: ^а ^{беременный} Popmintchev, Dimitar; Ван, Сиян; Сяоши, Чжан; Стоев, Венцислав; Popmintchev, Tenio (2022-10-24). «Аналитическая оптическая формализм Lah-Laguerre для возмущной хроматической дисперсии» . Optics Express . 30 (22): 40779–40808. BIBCODE : 2022OEXPR..3040779P . doi : 10.1364/OE.457139 . PMID 36299007 .

[Lah-Laguerre2-6] Jump up to: ^а ^{беременный} Popmintchev, Dimitar; Ван, Сиян; Xaoshi, Zhang; Стоев, Венцислав; Popmintchev, Tenio (2020-08-30). «Теория хроматической дисперсии, повторная» Arxiv : 2011.00066 [ Physics.optics ]

[Okulov,_A_YU_1980-7] Basov, Ng; Zubarev, Ig; Миронов, AB; Михайлов, Си; Окулов, Ю (1980). «Лазерный интерферометр с реверсирующими зеркалами волнового фронта». Сов. Физический Придурок . 52 (5): 847. Bibcode : 1980zhetf..79.1678b .

[Okulov,_A_Yu_2014-8] Окулов, Ю (2014). «Когерентная чирпная пульсная лазерная сеть с фазовым конъюгатором Микельсона». Прикладная оптика . 53 (11): 2302–2311. Arxiv : 1311.6703 . Bibcode : 2014Apopt..53.2302O . doi : 10.1364/ao.53.002302 . PMID 24787398 . S2CID 118343729 .

[9] Фуке, Хелен; Корень, Видья Н.; Уоррен, Хейли. «Победитель Нобелевской премии может иметь решение для ядерных отходов» . Блумберг . Получено 2020-09-09 .

[10] «Как лазеры могут решить глобальную проблему с ядерными отходами» . 8 апреля 2019 года.

[ 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