Chirped pulsforsterkning - Chirped pulse amplification

Skjema for kvitret pulsforsterkning

Chirped pulse amplification ( CPA ) er en teknikk for å forsterke en ultrakort laserpuls opp til petawatt -nivået, med laserpulsen som blir strukket ut tidsmessig og spektralt, deretter forsterket og deretter komprimert igjen. Tøyningen og komprimeringen bruker enheter som sikrer at de forskjellige fargekomponentene i pulsen reiser forskjellige avstander.

CPA for lasere ble introdusert av Donna Strickland og Gérard Mourou ved University of Rochester på midten av 1980-tallet, som de mottok Nobelprisen i fysikk for i 2018.

CPA er den nåværende state-of-the-art teknikken som brukes av de fleste av de høyeste effektlaserne i verden.

Bakgrunn

Før innføringen av CPA i midten av 1980-tallet, toppen kraft var av laserpulser begrenset fordi en laserpuls ved intensiteter av gigawatt pr kvadratcentimeter forårsake alvorlig skade på forsterkningsmediet gjennom ikke-lineære prosesser , slik som selvfokuserende . For eksempel kan noen av de kraftigste komprimerte CPA -laserstrålene, selv i en ufokusert stor blenderåpning (etter å ha gått ut av komprimeringsgitteret) overstige intensiteten på 700 GW/cm ² , som hvis den får lov til å spre seg i luft eller laserforsterkningsmediet umiddelbart selvfokusere og danne et plasma eller forårsake filamentforplantning , som begge ville ødelegge den opprinnelige strålens ønskelige kvaliteter og til og med kunne forårsake tilbakerefleksjon som potensielt kan skade laserens komponenter. For å holde intensiteten til laserpulser under terskelen for de ikke-lineære effektene, måtte lasersystemene være store og dyre, og toppkraften til laserpulser var begrenset til det høye gigawattnivået eller terawattnivået for veldig store flerstråler fasiliteter.

I CPA, derimot, strekkes en ultrakort laserpuls ut i tid før den introduseres til forsterkningsmediet ved hjelp av et par rister som er arrangert slik at lavfrekvente komponent i laserpulsen beveger seg en kortere bane enn høyfrekvent komponent gjør. Etter å ha gått gjennom gitterparet, blir laserpulsen positivt kvitret , det vil si at høyfrekvente komponent henger etter lavfrekvente komponent, og har lengre pulsvarighet enn originalen med en faktor 1000 til100 000 .

Deretter blir den strakte pulsen, hvis intensitet er tilstrekkelig lav sammenlignet med intensitetsgrensen på gigawatt per kvadratcentimeter, trygt introdusert til forsterkningsmediet og forsterket med en faktor på en million eller mer. Til slutt komprimeres den forsterkede laserpulsen tilbake til den opprinnelige pulsbredden gjennom reversering av strekkprosessen, og oppnår størrelsesordener høyere toppeffekt enn lasersystemer kunne generere før oppfinnelsen av CPA.

I tillegg til høyere toppeffekt, gjør CPA det mulig å miniatyrisere lasersystemer (kompressoren er den største delen). En kompakt høyeffektlaser, kjent som en terawatt-laser på bordplaten (T ^3- laser, vanligvis levert1 joule energi inne1 pikosekund ), kan opprettes basert på CPA -teknikken.

Båre og kompressor design

Det er flere måter å konstruere kompressorer og bårer på. Imidlertid krever en typisk Ti: safirbasert chirped-pulsforsterker at pulsen strekkes til flere hundre pikosekunder, noe som betyr at de forskjellige bølgelengdekomponentene må oppleve omtrent 10 cm forskjell i banelengde. Den mest praktiske måten å oppnå dette på er med ristbaserte bårer og kompressorer. Bårene og kompressorene er preget av spredning. Med negativ spredning tar lys med høyere frekvenser (kortere bølgelengder) mindre tid å reise gjennom enheten enn lys med lavere frekvenser (lengre bølgelengder). Med positiv spredning er det omvendt. I en CPA må spredningene til båren og kompressoren avbrytes. På grunn av praktiske hensyn er (høyeffekt) kompressoren vanligvis designet med negativ spredning, og båren (lav effekt) er derfor designet med positiv spredning.

I prinsippet er spredningen av en optisk enhet en funksjon , hvor er tidsforsinkelsen som en frekvenskomponent opplever . (Noen ganger brukes fasen , hvor $c$ er lysets hastighet og er bølgelengden.) Hver komponent i hele kjeden fra frølaseren til utgangen til kompressoren bidrar til spredningen. Det viser seg å være vanskelig å stille inn dispersjonene til båren og kompressoren slik at de resulterende pulser er kortere enn omtrent 100 femtosekunder. For dette kan det være nødvendig med ytterligere dispergerende elementer. ${\ displaystyle \ tau (\ omega)}$ ${\ displaystyle \ tau}$ ${\ displaystyle \ omega}$ ${\ displaystyle \ phi (\ omega) = 2 \ pi \ tau (\ omega) c/\ lambda (\ omega)}$ ${\ displaystyle \ lambda}$

Med rister

Figur 1. Skjematisk utforming av en ristbasert kompressor med negativ spredning, det vil si at de korte bølgelengdene (i blått) kommer først.

Figur 1 viser den enkleste ristkonfigurasjonen, der komponenter med lang bølgelengde reiser en større avstand enn komponentene med kort bølgelengde (negativ spredning). Ofte brukes bare et enkelt gitter, med ekstra speil slik at strålen treffer gitteret fire ganger i stedet for to ganger som vist på bildet. Dette oppsettet brukes vanligvis som en kompressor, siden det ikke innebærer transmissive komponenter som kan føre til uønskede bivirkninger ved håndtering av pulser med høy intensitet. Spredningen kan enkelt justeres ved å endre avstanden mellom de to ristene.

Figur 2. Skjematisk utforming av en ristbasert båre. I dette tilfellet, som fører til en positiv spredning, dvs. de lange bølgelengdene (i rødt) kommer først.

{\ displaystyle L <f}

Figur 2 viser en mer komplisert ristkonfigurasjon som involverer fokuseringselementer, her avbildet som linser. Linsene er plassert i en avstand fra hverandre (de fungerer som et 1: 1 teleskop), og i en avstand fra ristene. Hvis oppsettet fungerer som en båre med positiv spredning, og hvis det er en båre med negativ spredning . Den tilfelle brukes i femtosekundområdet pulsforming . Vanligvis er fokuselementet et sfærisk eller sylindrisk speil i stedet for et objektiv. Som med konfigurasjonen i figur 1, er det mulig å bruke et ekstra speil og bruke et enkelt rist i stedet for to separate. Dette oppsettet krever at strålediameteren er veldig liten i forhold til teleskopets lengde; ellers vil uønskede avvik bli introdusert. Av denne grunn blir den vanligvis brukt som båre før forsterkningstrinnet, siden lavintensitets frøpulser kan kollimeres til en stråle med liten diameter. ${\ displaystyle 2f}$ ${\ displaystyle L}$ ${\ displaystyle L <f}$ ${\ displaystyle L> f}$ ${\ displaystyle L = f}$

Med prismer

Figur 3. Prismebår. Denne konfigurasjonen har en positiv spredning. Selv om de forskjellige bølgelengdene ser ut til å bevege seg langs veldig forskjellige baner, er de effektive banelengdeforskjellene ganske små, som indikert av fargene på den spredte pulsen.

Det er mulig å bruke prismer i stedet for riste som et dispergerende element, som i figur 3. Til tross for en så enkel endring oppfører oppsettet seg ganske annerledes, slik at det i første ordre ikke er noen gruppeforsinkelsesdispersjon. En slik båre/kompressor kan ha både en positiv eller negativ spredning, avhengig av prismenes geometri og materialegenskaper. Med linser kan tegn på spredning reverseres, på samme måte som figur 2. For en gitt avstand mellom de dispersive elementene, genererer prismer mye mindre spredning enn rister. Prismer og gitter kombineres noen ganger for å korrigere høyere spredning ("grismer"), i så fall er avstanden mellom prismer i størrelsesorden 10 meter i stedet for 50 cm som med en ristkompressor. Gratings mister strøm til de andre ordenene mens prismer mister kraft på grunn av Rayleigh -spredning .

Fasekonjugering av kvitrede pulser

Chirpede pulser fra laserforsterkere kan faselåses via refleksjon fra et fasekonjugerende speil for å øke lysstyrken som . For dette formålet er degenerert fire-bølges blanding av Kerr- fasekonjugering relevant. ${\ displaystyle N}$ ${\ displaystyle N^{2}}$

Andre teknikker

Noen andre teknikker kan brukes for å strekke og komprimere pulser, men disse er ikke egnet som hovedbåre/kompressor i CPA på grunn av deres begrensede mengde spredning og på grunn av deres manglende evne til å håndtere pulser med høy intensitet.

En puls kan strekkes ganske enkelt ved å la den spre seg gjennom en tykk plate av gjennomsiktig materiale, for eksempel 200 mm glass. Som med prismer kan bare en begrenset mengde spredning oppnås innen fysisk praktiske dimensjoner. Utenfor det synlige lysspekteret finnes det materialer både for positiv og negativ spredning. For synlige og nær-infrarøde bølgelengder har nesten alle transparente materialer positiv spredning. Imidlertid kan glassfiber ha sin spredning skreddersydd for å dekke behovene.
En eller flere refleksjoner mellom et par kvitrede speil eller lignende enhet tillater enhver form for kvitring. Dette brukes ofte sammen med de andre teknikkene for å korrigere for høyere ordrer.
Den blindende laser er en kommersiell pulsformer i hvilket lys blir avbøyet fra en akustisk bølge. Ved å stille inn timingen, frekvensen og amplituden til den akustiske bølgen, er det mulig å innføre vilkårlige spredningsfunksjoner med en maksimal forsinkelse på noen få pikosekunder.
En faseskiftende maske kan plasseres i fokalplanet til båren i figur 2, noe som innfører ytterligere spredning. En slik maske kan være et LCD -array, der faseskiftet kan justeres ved å endre spenningen på pikslene. Dette kan generere vilkårlige spredningsfunksjoner med maksimalt noen få titalls pikosekunder forsinkelse. Et slikt oppsett kalles en pulsformer .

applikasjoner

CPA brukes i alle lasere med høy effekt (større enn omtrent 100 terawatts ) i verden, med unntak av ≈500 TW National Ignition Facility . Noen eksempler på disse laserne er Vulcan -laseren ved Rutherford Appleton Laboratory 's sentrale laseranlegg , Diocles -laseren ved University of Nebraska - Lincoln , GEKKO XII -laseren ved GEKKO XII -anlegget i Institute for Laser Engineering ved Osaka University , den OMEGA EP laser ved University of Rochester Lab for laser Energetics og nå demontert petawatt linje på den tidligere Nova laser ved Lawrence Livermore National Laboratory . Gérard Mourou har foreslått å bruke CPA for å generere laserpulser med høy energi og lav varighet for å overføre sterkt radioaktivt materiale (inneholdt i et mål) for å redusere halveringstiden betydelig, fra tusenvis av år til bare noen få minutter.

Bortsett fra disse toppmoderne forskningssystemene, selger en rekke kommersielle produsenter Ti: safirbaserte CPAer med toppeffekter på 10 til 100 gigawatt.

Languages

In other projects