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.
Содержание
- 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
Предпосылки
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.
Конструкция носилок и компрессоров
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 , где - временная задержка, испытываемая частотной составляющей . (Иногда фаза , где c - скорость света, а - 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