Усиление чирпированных импульсов

Схема усиления чирпированных импульсов

Усиление чирпированных импульсов (CPA ) - метод для усиления ультракороткого лазерного импульса до уровня петаватт, при этом лазерный импульс растягивается во времени и спектрально, затем усиливается, а затем снова сжимается. Для растяжения и сжатия используются устройства, которые обеспечивают прохождение различных цветовых компонентов импульса на разные расстояния.

CPA для лазеров был введен Донной Стрикленд и Жераром Муру в Университете Рочестера в середине 1980-х, работая для которых они получил Нобелевскую премию по физике в 2018 году.

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

• 1 Предпосылки
• 2 Конструкция растяжителя и компрессора
  • 2.1 С решетками
  • 2.2 С призмами
  • 2.3 Фазовое сопряжение чирпированных импульсов
  • 2.4 Другие методы
• 3 Области применения
• 4 См. Также
• 5 Ссылки

До введения CPA в середине 1980-х пиковая мощность лазерных импульсов была ограничена из-за того, что лазерный импульс на интенсивность гигаватт на квадратный сантиметр вызывает серьезное повреждение среды усиления из-за нелинейных процессов, таких как самофокусировка. 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, что, если позволить им распространяться в воздухе или среда усиления лазера может мгновенно самофокусироваться и образовывать плазму или вызывать распространение нити, и то и другое может испортить желательные качества исходного луча и даже вызвать -отражение 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 гигаватт или тераваттным уровнем для очень большого многолучевого излучения. объекты.

В CPA, с другой стороны, ультракороткий лазерный импульс растягивается во времени до подачи его в усиливающую среду с помощью пары решеток, которые расположены так, чтобы частотная составляющая лазерного импульса проходит более короткий путь, чем высокочастотная составляющая. После прохождения пары решеток лазерный импульс становится положительно чирпированным, то есть высокочастотная составляющая отстает от низкочастотной составляющей и имеет более длительную длительность импульса, чем исходная. с коэффициентом от 1000 до 100000.

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 раз. или больше. 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.

В дополнение к более высокой пиковой мощности, CPA позволяет миниатюризировать лазерные системы (компрессор является самой большой частью). Компактный мощный лазер, известный как настольный тераваттный лазер (Т-лазер, обычно доставляющий 1 джоуль энергии в пределах 1 пикосекунды ), может быть создан на основе метода CPA.

Компрессоры и носилки можно сконструировать несколькими способами. Однако типичный усилитель на основе чирпированных импульсов на основе Ti: сапфира требует, 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 свет с более высокими частотами (более короткие длины волн) проходит через устройство меньше времени, чем свет с более низкими частотами (более длинные волны). При положительной дисперсии все наоборот. В CPA дисперсии стретчера и компрессора должны уравновешиваться. Из практических соображений (высокомощный) компрессор обычно проектируется с отрицательной дисперсией, и поэтому (маломощный) стретчер конструируется с положительной дисперсией.

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

С решетками

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

На рисунке 1 показана простейшая конфигурация решетки, где 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 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. Принципиальная схема стретчера на решетке. В этом случае , что приводит к положительной дисперсии, т.е. сначала идут длинные волны (выделены красным).

На рисунке 2 показана более сложная конфигурация решетки, которая включает в себя фокусирующие элементы, здесь изображенные как линзы. Линзы располагаются на расстоянии $2\; f\; \{\backslash \; displaystyle\; 2f\}$друг от друга (они действуют как телескоп 1: 1) и на расстоянии $L\; \{\backslash \; displaystyle\; L\}$из решеток. Если , установка действует как растяжитель с положительной дисперсией, а если $L>f\; \{\backslash \; displaystyle\; L>f\}$, это растяжитель с отрицательной дисперсией. $L\; =\; f\; \{\backslash \; displaystyle\; L\; =\; f\}\; Корпус$используется в формировании фемтосекундного импульса. Обычно фокусирующим элементом является сферическое или цилиндрическое зеркало, а не линза. Как и в конфигурации на рисунке 1, можно использовать дополнительное зеркало и используйте 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 он обычно используется как растяжитель перед каскада усиления, поскольку затравочные импульсы низкой интенсивности могут коллимироваться в пучок малого диаметра.

С призмами

Рис. 3. Стретчер призм. Это подтверждает гурация имеет положительную дисперсию. Хотя кажется, что разные длины волн проходят по очень разным путям, различия в эффективных длинах пути довольно малы, на что указывают цвета рассеянного импульса.

Можно использовать призмы вместо решеток в качестве дисперсионные элементы, как на рисунке 3. Несмотря на такое простое изменение, установка ведет себя совершенно иначе, поскольку для первого порядка не вводится 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 генерируют 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 решетчатом компрессоре. Решетки теряют мощность в других порядках, а призмы теряют мощность из-за рэлеевского рассеяния.

Фазовое сопряжение чирпированных импульсов

Чирпированных импульсов от $N\; \{\backslash \; displaystyle\; N\}$лазерные усилители могут синхронизироваться по фазе посредством отражения от ОВФ-зеркала для увеличения яркости как $N\; 2\; \{\backslash \; displaystyle\; N\; ^\; \{2\}\}$. Для этой цели используется вырожденное четырехволновое смешение Керра Фазовое сопряжение.

Другие методы

Некоторые другие методы могут использоваться для растягивания и сжатия импульсов, но это не так. 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 диапазона длин волн почти все прозрачные материалы имеют положительную дисперсию. Однако стеклянные волокна могут иметь дисперсию, адаптированную для удовлетворения потребностей.
• Одно или несколько отражений между парой чирпированных зеркал или аналогичным устройством допускают любую форму чирпирования. Это часто используется в сочетании с другими методами для коррекции более высоких порядков.
• Dazzler - это коммерческий формирователь импульсов, в котором свет дифрагирует от акустической волны. Настраивая синхронизацию, частоту и амплитуду акустической волны, можно вводить произвольные дисперсионные функции с максимальной задержкой в ​​несколько пикосекунд.
• Фазосдвигающая маска может быть размещена в фокальной плоскости стретчер на рис. 2, который вносит дополнительную дисперсию. Такая маска может быть массивом LCD, где фазовый сдвиг можно регулировать, изменяя напряжение на пикселях. Это может генерировать произвольные дисперсионные функции с максимальной задержкой в ​​несколько десятков пикосекунд. Такая установка называется формирователем импульсов.

CPA используется во всех самых мощных лазерах (более 100 тераватт ) в мире, с за исключением ≈500 ТВт National Ignition Facility. Некоторыми примерами таких лазеров являются лазер Vulcan в Лаборатории Резерфорда Эпплтона в Центральном лазерном центре, лазер Диокла в Университете Небраски– Линкольн, лазер GEKKO XII на установке GEKKO XII в Институте лазерной инженерии Университета Осаки, лазер OMEGA EP в Университете Рочестерская лаборатория лазерной энергетики и демонтированная петаваттная линия на бывшем лазере «Нова» в Ливерморской национальной лаборатории. Жерар Муру предложил использовать CPA для генерации высокоэнергетических лазерных импульсов малой длительности для трансмутации высокорадиоактивного материала (содержащегося в мишени) с целью значительного сокращения периода его полураспада с тысяч лет до нескольких минут.

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

• Физический портал
• Технологический портал

• Фемтотехнология
• Групповая скорость
• Блокировка мод