पावर बनाम पल्स चौड़ाई दुविधा? 100 TW पीक पावर 4.3 fs उप - द्विध्रुवी लेजर दालों के माध्यम से क्षेत्र संश्लेषण के तरंग को नियंत्रित करना
पदार्थ और अल्ट्राफास्ट डायनेमिक प्रक्रियाओं की चरम राज्यों की खोज के लिए एक मुख्य उपकरण के रूप में, फेमटोसेकंड अल्ट्रा - शॉर्ट लेजर पल्स तकनीक आधुनिक ऑप्टिक्स में एक कटिंग - एज फोकस बनी हुई है। हाल ही में, स्वीडन में UMEå विश्वविद्यालय और हंगरी में एली आल्प्स रिसर्च सेंटर की एक अंतरराष्ट्रीय अनुसंधान टीम ने सफलतापूर्वक पारंपरिक अल्ट्रा - को पारंपरिक अल्ट्रा -} शॉर्ट पल्स लेजर सिस्टम में बढ़ाया ऑप्टिकल पैरामीट्रिक फील्ड (OPCPA) को नियोजित करके पल्स चौड़ाई ट्रेड - को हल किया। उन्होंने उप - दो - को 100 TW की शिखर शक्ति और सिर्फ 4.3 fs की एक पल्स अवधि के साथ लेजर आउटपुट प्राप्त किया। यह काम अगले - जेनरेशन एटोसेकंड साइंस, रिलेटिविस्टिक लेजर प्लाज्मा फिजिक्स और एक्सट्रीम ऑप्टिक्स के लिए महत्वपूर्ण तकनीकी सहायता प्रदान करता है। अध्ययन, "वेवफॉर्म - उप - के नियंत्रित क्षेत्र संश्लेषण का शीर्षक है, दो - 100 TW पीक पावर स्तर पर चक्र दालों," नेचर फोटोनिक्स के नवीनतम अंक में प्रकाशित किया गया था।
जब "सबसे छोटा" "सबसे मजबूत" मिलता है: शक्ति को हल करना - पल्स चौड़ाई व्यापार - बंद
अल्ट्राफास्ट लेजर तकनीक ने पिछले कुछ दशकों में महत्वपूर्ण प्रगति की है, दो दिशाओं में विकसित हो रहे हैं: एक तरफ, चरम भौतिक परिस्थितियों को बनाने के लिए उच्च शिखर शक्ति का पीछा करना; दूसरी ओर, उच्च अस्थायी संकल्प प्राप्त करने के लिए छोटी पल्स अवधि का पीछा करना। पारंपरिक लेजर सिस्टम की भौतिक सीमाएं "ऊर्जा संरक्षण कानून" की तरह काम करती हैं: कम दालों को प्राप्त करने के लिए, एक व्यापक वर्णक्रमीय बैंडविड्थ की आवश्यकता होती है, लेकिन अधिकांश लेजर लाभ मीडिया में सीमित बैंडविड्थ है; उच्च शक्ति प्राप्त करने के लिए, लंबे समय तक प्रवर्धन दूरी और अधिक ऊर्जा भंडारण की आवश्यकता होती है, जो बदले में पल्स संपीड़न की सीमा को सीमित करता है।
पारंपरिक टाइटेनियम नीलम लेजर सिस्टम की तुलना में, ऑप्टिकल पैरामीट्रिक चिर्ड पल्स एम्पलीफिकेशन (OPCPA) तकनीक एक व्यापक लाभ बैंडविड्थ का समर्थन करती है, जिससे उप - चक्र दालों को प्राप्त करना संभव हो जाता है। हालांकि, सही मायने में 100 TW - स्तरीय उत्पादन को प्राप्त करने के लिए, OPCPA प्रौद्योगिकी कई तकनीकी चुनौतियों का सामना करती है: अल्ट्रा - व्यापक बैंडविड्थ को बनाए रखते हुए कुशल ऊर्जा प्रवर्धन को कैसे प्राप्त करें? वाहक लिफाफे चरण (CEP) की लंबी - टर्म स्थिरता कैसे सुनिश्चित करें? प्री - पल्स हस्तक्षेप से बचने के लिए पर्याप्त रूप से उच्च अस्थायी विपरीत कैसे प्राप्त करें?
इस शोध कार्य में, लेखक टीम ने दो दिशाओं से नवाचार किया: सुसंगत क्षेत्र संश्लेषण और बढ़ाया ओपीसीपीए डिजाइन, व्यवस्थित रूप से प्रमुख तकनीकी चुनौतियों जैसे कि बिजली - पल्स विड्रक ट्रेड - ऑफ, चरण स्थिरता, और पारंपरिक अल्ट्रा {2} शॉर्ट पल्स द्वारा सामना किए जाने वाले अस्थायी कंट्रास्ट।
सुसंगत क्षेत्र संश्लेषण और बढ़ाया ओपीसीपीए डिजाइन
उप - द्विध्रुवी अल्ट्रा - छोटी दालों को उत्पन्न करने के लिए, पहले पर्याप्त रूप से व्यापक वर्णक्रमीय बैंडविड्थ का उत्पादन करना आवश्यक है। टीम ने सीरियल सुसंगत फील्ड सिंथेसिस तकनीक को नियोजित किया, जो पूरे स्पेक्ट्रल रेंज (580-1020 एनएम) को अलग -अलग प्रवर्धन के लिए दो पूरक क्षेत्रों में विभाजित करते हुए, सुसंगत संश्लेषण के बाद। जैसा कि चित्र 1 में दिखाया गया है, टीम की लाइट वेव सिंथेसाइज़र 100 (LWS100) सिस्टम एक तीन - स्टेज एन्हांस्ड OPCPA संरचना को नियोजित करता है। प्रत्येक चरण में दो ऑप्टिकल पैरामीट्रिक एम्पलीफायर्स शामिल हैं: एक 532 एनएम दूसरी हार्मोनिक पीढ़ी द्वारा पंप किया गया, जो लाल प्रकाश क्षेत्र (700-1020 एनएम) को बढ़ाने के लिए जिम्मेदार है; और 355 एनएम पर तीसरे हार्मोनिक द्वारा पंप किया गया, ब्लू लाइट क्षेत्र (580-700 एनएम) को बढ़ाने के लिए जिम्मेदार। यह डिजाइन खंडित प्रवर्धन को प्राप्त करता है, एक ऑर्केस्ट्रा के विभिन्न वर्गों को अलग से प्रशिक्षित करने के लिए, अलग -अलग आवृत्ति घटकों के बीच चरण सुसंगतता को बनाए रखते हुए प्रत्येक वर्णक्रमीय घटक के कुशल प्रवर्धन को सुनिश्चित करता है।
चित्रा 1 LWS100 बढ़ाया OPCPA का सेटअप
सिस्टम - चरण - से मेल खाता है बोरॉन - डोपेड बेरियम बोरेट (BBO) क्रिस्टल के रूप में नॉनलाइनियर माध्यम के रूप में। अनुसंधान टीम ने चरण - मिलान कोण ({= 34.54 नीले प्रकाश क्षेत्र के लिए डिग्री और θ=23.73 लाल प्रकाश क्षेत्र के लिए डिग्री) और गैर - कोलेनियर कोण को अलग -अलग विफलिफ़र पर सिंक्रनाइज़्ड एम्प्लिफिकेशन सुनिश्चित करने के लिए नियंत्रित किया।
चित्रा 2 वर्णक्रमीय माप (ए) और सिमुलेशन (बी) LWS100 में विकास
एकाधिक डेटा मेट्रिक्स असाधारण सिस्टम प्रदर्शन को प्रकट करते हैं
चरम ध्यान और तीव्रता सफलता
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 एफएस)।
चित्रा 3 वर्णक्रमीय, अस्थायी और LWS100 की स्थानिक विशेषताएं
तरंग स्थिरता और विपरीत
उप - के लिए डबल - साइकिल लेजर दालों, वाहक लिफाफा चरण (सीईपी) की स्थिरता महत्वपूर्ण है। सीईपी वाहक और लिफाफे के बीच सापेक्ष चरण संबंध का वर्णन करता है, और यहां तक कि मामूली परिवर्तन भी लेजर - मामले की बातचीत प्रक्रिया को काफी प्रभावित कर सकते हैं। टीम ने एक निष्क्रिय सीईपी - स्थिर फ्रंट - अंत डिजाइन को अपनाया, अंतर आवृत्ति पीढ़ी (DFG) प्रक्रिया के माध्यम से प्राकृतिक चरण लॉकिंग प्राप्त किया। जैसा कि चित्र 4 में दिखाया गया है, सिस्टम सीईपी स्थिरता प्राप्त करता है<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.
चित्रा 4 तरंग स्थिरता और LWS100 के विपरीत
उच्च - पावर लेजर सिस्टम के लिए एक और महत्वपूर्ण मीट्रिक टेम्पोरल कंट्रास्ट - मुख्य पल्स और प्री - पल्स के बीच तीव्रता अनुपात है। पूरी तरह से OPCPA आर्किटेक्चर और अनुकूलित घटक लेआउट के माध्यम से, सिस्टम परिमाण के 11 आदेशों से अधिक अस्थायी विपरीत प्राप्त करता है। विशेष रूप से, पहले - स्टेज ब्लू लाइट एम्पलीफायर, पैरामीट्रिक प्रतिदीप्ति पीढ़ी को प्रभावी ढंग से दबा दिया जाता है, सिस्टम के विपरीत प्रदर्शन को बढ़ाने के बाद, एक Acousto - ऑप्टिक प्रोग्रामेबल डिस्पर्सियन फ़िल्टर (Dazzler) रखकर, सिस्टम के विपरीत प्रदर्शन को महत्वपूर्ण रूप से दबा दिया जाता है।
टेम्पोरल सुपर - रिज़ॉल्यूशन
यद्यपि 4.3 एफएस की एक पल्स अवधि पहले से ही भौतिक सीमा के करीब है, टीम ने टेम्पोरल सुपर - रिज़ॉल्यूशन तकनीक की आवेदन क्षमता का भी प्रदर्शन किया। 745-825 एनएम रेंज में आयाम और चुनिंदा रूप से वर्णक्रमीय घटकों को हटाकर, स्पेक्ट्रल रूप से आकार देने से, पल्स की अवधि को 3.7 एफएस तक कम कर दिया गया था, जो सही उप -4 एफएस पल्स आउटपुट प्राप्त करता है। नतीजतन, शिखर शक्ति और शिखर की तीव्रता को मूल पल्स के 40% तक कम कर दिया गया था, लेकिन 25 TW बिजली का स्तर विभिन्न अल्ट्राफास्ट स्पेक्ट्रोस्कोपी और एटोसेकंड विज्ञान प्रयोगों का समर्थन करने के लिए पर्याप्त है।
चित्र 5: समय सुपर - उप -4 एफएस दालों को उत्पन्न करने के लिए LWS100 का उपयोग करके संकल्प
अध्ययन एक बढ़ाया ऑप्टिकल पैरामीट्रिक चिर्ड पल्स एम्पलीफायर को प्रदर्शित करता है जो उप - डबल - तरंग नियंत्रण और अल्ट्रा - relativistic तीव्रता के साथ चक्र दालों को प्रदान करता है। सीरियल फील्ड सिंथेसिस जूल - स्तरीय ऊर्जा के लिए लगभग एक ऑक्टेव में स्पेक्ट्रम के मजबूत प्रवर्धन को सक्षम करता है। इस तरह, 4.3 एफएस, सीईपी स्थिरता, और आरएमएस स्थिरता के साथ 300 एमआरएडी से नीचे की अवधि के साथ एक 100 ट्व - स्तर पल्स बनाया गया था। पेपर के लेखक, ट्रोम्सो विश्वविद्यालय के प्रोफेसर लास्ज़लो वेजज़ ने कहा: "इस तकनीक की सफलता पहले - में 100 ट्वि - के संयोजन में है। जैसे कि एटोसेकंड भौतिकी, चरम नॉनलाइनर ऑप्टिक्स, और सापेक्षतावादी प्लाज्मा भौतिकी। "
अनुसंधान टीम ने उल्लेख किया कि इस तकनीक में पुनरावृत्ति दर, बैंडविड्थ, पल्स अवधि और ऊर्जा (बड़े पार्श्व आयामों के साथ अन्य नॉनलाइनियर क्रिस्टल का उपयोग करके) के संदर्भ में संभावित स्केलेबिलिटी है। भविष्य में, सीरियल फील्ड सिंथेसिस और फैलाव नियंत्रण तकनीकों को बढ़ाकर, पेटवैट पीक पावर के साथ उप - चक्र दालों को उत्पन्न करना संभव हो सकता है।
