Potenza vs. di dilemma della larghezza dell'impulso? Controllo della forma d'onda di 100 TW Power di picco 4.3 fs sub - impulsi laser bipolari attraverso la sintesi di campo
Come strumento fondamentale per esplorare gli stati estremi della materia e dei processi dinamici ultravelici, la tecnologia di impulso laser a femtosecondi Ultra - è rimasta una focalizzazione a bordo del taglio - nella moderna ottica. Recentemente, un team di ricerca internazionale dell'Università di Umeå in Svezia e il Centro di ricerca Eli Alps in Ungheria ha risolto con successo il potere - larghezza di impulso - Off nella tradizionale tecnologia Ultra -} cumpule di amplificazione a impulso. Hanno raggiunto il sub - due - output laser a ciclo con una potenza di picco di 100 TW e una durata dell'impulso di soli 4,3 fs. Questo lavoro fornisce supporto tecnologico critico per la prossima scienza Attosecondi della generazione -, fisica del plasma laser relativistico e ottica estrema. Lo studio, intitolato "WaveForm - controllata la sintesi del campo di sub - due impulsi di ciclo - al livello di potenza di picco 100 TW", è stato pubblicato nell'ultimo numero di Nature Photonics.
Quando "più corto" incontra "più forte": risolvere il potere - Impulse Width Trade - Off
La tecnologia laser ultrafast ha fatto progressi significativi negli ultimi decenni, evolvendosi in due direzioni: da un lato, perseguendo una maggiore potenza di picco per creare condizioni fisiche estreme; D'altra parte, perseguire durate di impulsi più brevi per ottenere una maggiore risoluzione temporale. I limiti fisici dei sistemi laser tradizionali si comportano come una "legge sulla conservazione dell'energia": per ottenere impulsi più brevi, è richiesta una larghezza di banda spettrale più ampia, ma la maggior parte dei media di guadagno laser ha una larghezza di banda limitata; Per ottenere una potenza maggiore, sono necessarie distanze di amplificazione più lunghe e una maggiore accumulo di energia, il che a sua volta limita l'entità della compressione dell'impulso.
Rispetto ai tradizionali sistemi laser a zaffiro in titanio, la tecnologia OPCPA (Optic -Parametric Chirped Pulse Amplification (OPCPA) supporta una larghezza di banda di guadagno più ampia, consentendo di ottenere impulsi di ciclo sub -. Tuttavia, per ottenere veramente 100 TW - output di potenza di livello, la tecnologia OPCPA deve affrontare numerose sfide tecniche: come ottenere un'amplificazione energetica efficiente mantenendo ultra - larghezza di banda ampia? Come garantire la lunga stabilità del termine - della fase dell'involucro del portatore (CEP)? Come ottenere un contrasto temporale sufficientemente elevato per evitare l'interferenza dell'impulso pre -?
In questo lavoro di ricerca, il team di autori ha innovato da due direzioni: sintesi di campo coerente e progettazione dell'OPCPA migliorata, affrontando sistematicamente le principali sfide tecniche come il potere - larghezza di impulso - off, stabilità di fase e contrasto temporale affrontato dai tradizionali ultra - Short Lasers.
Sintesi del campo coerente e design OPCPA migliorato
Per generare Sub - Bipolar Ultra - Short Pulses, è prima necessario produrre una larghezza di banda spettrale sufficientemente ampia. Il team ha impiegato la tecnologia di sintesi del campo coerente seriale, dividendo l'intero intervallo spettrale (580–1020 nm) in due regioni complementari per un'amplificazione separata, seguita da sintesi coerente. Come mostrato nella Figura 1, il sistema di sintetizzatore di onde luminose del team (LWS100) impiega una struttura OPCPA a tre - stage. Ogni fase include due amplificatori parametrici ottici: uno pompato di 532 nm di seconda generazione armonica, responsabile dell'amplificazione della regione della luce rossa (700-1020 nm); e un altro pompato dalla terza armonica a 355 nm, responsabile dell'amplificazione della regione della luce blu (580–700 nm). Questo design raggiunge un'amplificazione segmentata, simile all'addestramento separatamente di diverse sezioni di un'orchestra, garantendo un'amplificazione efficiente di ciascun componente spettrale mantenendo la coerenza di fase tra i diversi componenti di frequenza.
Figura 1 Impostazione dell'OPCPA migliorato LWS100
Il sistema impiega - fase - abbinate Boron - cristalli drogati di bario drogato (BBO) come mezzo non lineare. Il team di ricerca ha controllato con precisione la fase - angolo di corrispondenza (θ=34.54 grado per la regione della luce blu e θ=23.73 grado per la regione della luce rossa) e l'angolo collineare non - per garantire l'amplificazione sincronizzata della luce a diverse lunghezze d'onda.
Figura 2 Misurazione spettrale (A) e simulazione (B) Evoluzione nell'LWS100
Metriche di dati multipli rivelano prestazioni di sistema eccezionali
Focusting estremo e intensità di intensità
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).
Figura 3 Caratteristiche spettrali, temporali e spaziali di LWS100
Stabilità e contrasto della forma d'onda
Per sub - doppio - impulsi laser a ciclo, la stabilità della fase dell'involucro del portatore (CEP) è fondamentale. CEP descrive la relazione di fase relativa tra portante e busta e persino piccoli cambiamenti possono influire significativamente sul processo di interazione del laser -. Il team ha adottato un CEP passivo - stabile Front - End Design, ottenendo il blocco delle fasi naturali attraverso il processo di generazione di frequenza di differenza (DFG). Come mostrato nella Figura 4, il sistema raggiunge la stabilità CEP di<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.
Figura 4 Stabilità della forma d'onda e contrasto di LWS100
Un'altra metrica critica per i sistemi laser alimentari - alti è il contrasto temporale - il rapporto di intensità tra l'impulso principale e l'impulso pre -. Attraverso un'architettura OPCPA e un layout componente ottimizzato, il sistema raggiunge il contrasto temporale superiore a 11 ordini di grandezza. In particolare, posizionando un filtro di dispersione programmabile ottica ottica (Dazzler) Acousto dopo il primo amplificatore di luce blu -, la generazione di fluorescenza parametrica viene effettivamente soppressa, migliorando significativamente le prestazioni del contrasto del sistema.
Risoluzione temporale super -
Sebbene una durata dell'impulso di 4,3 fs sia già vicina al limite fisico, il team ha anche dimostrato il potenziale di applicazione della tecnologia di risoluzione super - temporale. Damplorando spettralmente l'ampiezza e rimuovendo selettivamente i componenti spettrali nell'intervallo 745–825 nm, la durata dell'impulso è stata ulteriormente ridotta a 3,7 fs, ottenendo una vera uscita dell'impulso Sub-4 FS. Di conseguenza, la potenza di picco e l'intensità di picco sono state ridotte al 40% dell'impulso originale, ma il livello di potenza di 25 TW rimane sufficiente per supportare vari esperimenti scientifici ultraveloscini e Attosecondi.
Figura 5: Time Super - Risoluzione usando LWS100 per generare impulsi Sub-4 FS
Lo studio dimostra un amplificatore a impulso cinguetto parametrico ottico migliorato che fornisce un sub - doppio - impulsi di ciclo con controllo della forma d'onda e ultra - intensità relativistica. La sintesi del campo seriale consente una solida amplificazione dello spettro attraverso quasi un'ottava a Joule - Energia di livello. In questo modo, è stato creato un impulso di livello da 100 TW - con una durata di 4,3 fs, stabilità CEP e stabilità RMS al di sotto di 300 MRAD. L'autore del documento, il professor Laszlo Veisz dell'Università di Tromsø, dichiarò: "La svolta di questa tecnologia si trova nella prima combinazione - sempre di 100 tw - livello di livello con il sotterraneo e la scicale e la scicale della scicale, che forniscono strumenti di ricerca non previsti per far progredire gli eltra {15} Campi di frontiera come la fisica Attosecondi, l'ottica estrema non lineare e la fisica del plasma relativistico ".
Il team di ricerca ha osservato che questa tecnologia ha una potenziale scalabilità in termini di tasso di ripetizione, larghezza di banda, durata degli impulsi ed energia (utilizzando altri cristalli non lineari con dimensioni laterali più grandi). In futuro, migliorando le tecniche di sintesi del campo seriale e di controllo della dispersione, potrebbe essere possibile generare impulsi di ciclo sub - con potenza di picco di Petawatt.
