Laser siêu nhanh cho khoa học atto giây

Laser siêu nhanhcho khoa học atto giây
Hiện nay, các xung atto giây chủ yếu được tạo ra thông qua quá trình tạo sóng hài bậc cao (HHG) được thúc đẩy bởi các trường mạnh. Bản chất của quá trình tạo ra chúng có thể được hiểu là các electron bị ion hóa, gia tốc và tái kết hợp bởi một trường điện mạnh của laser để giải phóng năng lượng, từ đó phát ra các xung XUV atto giây.
Do đó, tín hiệu đầu ra ở thang thời gian atto giây cực kỳ nhạy cảm với độ rộng xung, năng lượng, bước sóng và tần số lặp lại của xung.lái xe laser(Laser siêu nhanh): Độ rộng xung ngắn hơn có lợi cho việc phân lập các xung atto giây, năng lượng cao hơn cải thiện quá trình ion hóa và hiệu suất, bước sóng dài hơn làm tăng năng lượng cắt nhưng làm giảm đáng kể hiệu suất chuyển đổi, và tốc độ lặp lại cao hơn cải thiện tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu nhưng bị giới hạn bởi năng lượng xung đơn. Các ứng dụng khác nhau (như kính hiển vi điện tử, quang phổ hấp thụ tia X, đếm trùng hợp, v.v.) có những trọng tâm khác nhau về chỉ số xung atto giây, điều này đặt ra các yêu cầu khác biệt và toàn diện đối với laser điều khiển. Cải thiện hiệu suất của laser điều khiển là rất quan trọng để sử dụng trong khoa học atto giây.

Bốn lộ trình công nghệ cốt lõi để nâng cao hiệu suất của laser điều khiển (laser siêu nhanh)
1. Năng lượng cao hơn: Được thiết kế để khắc phục hiệu suất chuyển đổi thấp của HHG và thu được các xung atto giây có thông lượng cao. Sự phát triển công nghệ đã chuyển từ khuếch đại xung biến đổi tần số truyền thống (CPA) sang họ khuếch đại tham số quang học, bao gồm khuếch đại xung biến đổi tần số tham số quang học (OPCPA), OPA biến đổi tần số kép (DC-OPA), OPA miền tần số (FOPA) và OPCPA khớp pha gần đúng (QPCPA). Hơn nữa, việc kết hợp các kỹ thuật tổng hợp chùm tia kết hợp (CBC) và khuếch đại tách xung (DPA) để khắc phục các hạn chế vật lý của bộ khuếch đại kênh đơn, chẳng hạn như hiệu ứng nhiệt và hư hỏng phi tuyến tính, và đạt được năng lượng đầu ra ở mức Joule.
2. Độ rộng xung ngắn hơn: Được thiết kế để tạo ra các xung atto giây riêng biệt có thể được sử dụng để phân tích động lực học điện tử, yêu cầu ít hoặc thậm chí các xung điều khiển dưới chu kỳ và pha bao sóng mang (CEP) ổn định. Các công nghệ chính bao gồm sử dụng các kỹ thuật nén sau phi tuyến tính như sợi lõi rỗng (HCF), màng mỏng đa lớp (MPSC) và khoang đa kênh (MPC) để nén độ rộng xung xuống độ dài cực ngắn. Độ ổn định CEP được đo bằng giao thoa kế f-2f và đạt được thông qua phản hồi/phản hồi tiến chủ động (như AOFS, AOPDF) hoặc các cơ chế tự ổn định hoàn toàn bằng quang học thụ động dựa trên các quá trình chênh lệch tần số.
3. Bước sóng dài hơn: Được thiết kế để đẩy năng lượng photon atto giây lên dải "cửa sổ nước" để chụp ảnh phân tử sinh học. Ba hướng công nghệ chính là:
Khuếch đại tham số quang học (OPA) và hệ thống tầng của nó: Đây là giải pháp chủ đạo trong dải bước sóng 1-5 μm, sử dụng các tinh thể như BiBO và MgO: LN; >Các tinh thể như ZGP và LiGaS₂ là cần thiết cho dải bước sóng 5 μm.
Tạo tần số vi sai (DFG) và tạo tần số vi sai trong xung (IPDFG): có thể cung cấp các nguồn tín hiệu ban đầu với độ ổn định CEP thụ động.
Công nghệ laser trực tiếp, chẳng hạn như laser chalcogenide pha tạp kim loại chuyển tiếp Cr: ZnS/Se, được biết đến như là "titan sapphire hồng ngoại tầm trung" và có ưu điểm là cấu trúc nhỏ gọn và hiệu suất cao.
4. Tốc độ lặp lại cao hơn: nhằm mục đích cải thiện tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu và hiệu quả thu thập dữ liệu, đồng thời khắc phục những hạn chế của hiệu ứng điện tích không gian. Có hai hướng chính:
Công nghệ khoang cộng hưởng tăng cường: sử dụng các khoang cộng hưởng có độ chính xác cao để tăng cường công suất đỉnh của các xung tần số lặp lại ở mức megahertz nhằm tạo ra sóng hài bậc cao (HHG), đã được ứng dụng trong các lĩnh vực như lược tần số XUV, nhưng việc tạo ra các xung atto giây riêng biệt vẫn còn nhiều thách thức.
Tần số lặp lại cao vàlaser công suất caoHệ thống truyền động trực tiếp, bao gồm OPCPA, CPA sợi quang kết hợp với nén hậu kỳ phi tuyến tính và bộ dao động màng mỏng, đã đạt được khả năng tạo xung atto giây riêng biệt với tần số lặp lại 100 kHz.