Импульсті күшейту - Chirped pulse amplification

Импульсті күшейту схемасы

Импульсті күшейту (CPA) - бұл күшейтуге арналған әдіс ультра қысқа лазер дейін импульс петаватт деңгей, лазерлік импульс уақытша және спектрлі түрде созылып, күшейтіліп, содан кейін қайтадан сығылады.[1] Созу және қысу кезінде импульстің түрлі түсті компоненттерінің әр түрлі қашықтыққа өтуін қамтамасыз ететін құрылғылар қолданылады.

Лазерлерге арналған CPA енгізілді Донна Стрикленд және Жерар Моуру кезінде Рочестер университеті 1980 жылдардың ортасында,[2] олар алған жұмыс Физика бойынша Нобель сыйлығы 2018 жылы.[3]

CPA - бұл әлемдегі ең қуатты лазерлердің көпшілігі қолданатын қазіргі заманғы техника.

Фон

CPA енгізілгенге дейін 1980 жылдардың ортасында, шыңы күш лазерлік импульс шектелген, өйткені лазерлік импульс қарқындылық туралы гигаватт шаршы сантиметрге үлкен зақым келтіреді орта алу арқылы сызықтық емес процестер сияқты өз-өзіне бағытталған. Мысалы, кейбір қуатты сығылған CPA лазер сәулелері, тіпті шоғырланбаған үлкен саңылауда (сығымдау торынан шыққаннан кейін) 700 ГВт / см қарқындылықтан асып кетуі мүмкін.2, егер бұл таралуға рұқсат етілсе ауа немесе лазерлік күшейту ортасы лезде өзін-өзі шоғырландырады және а плазма немесе себеп жіптің таралуы, екеуі де бастапқы сәуленің жақсы қасиеттерін бұзады және лазердің компоненттеріне кері әсерін тигізуі мүмкін. Лазерлік импульстардың интенсивтілігін сызықтық емес эффекттер шегінен төмен ұстап тұру үшін лазерлік жүйелер үлкен және қымбат болуы керек еді, ал лазерлік импульстардың ең жоғарғы қуаты өте үлкен көп сәулеліктер үшін жоғары гигаватт деңгейімен немесе тераватт деңгейімен шектелді. нысандар.

Екінші жағынан, CPA-да ультра қысқа лазерлік импульс оны жұп ортаны пайдаланып, күшейту ортасына енгізгенге дейін уақытында созылады. торлар лазерлік импульстің төменгі жиілікті компоненті жоғары жиілікті компонентке қарағанда қысқа жол жүретін етіп орналастырылған. Торлы жұптан өткеннен кейін лазерлік импульс оңға айналады шырылдады, яғни жоғары жиілікті компонент төмен жиілікті компоненттен артта қалады және ұзағырақ болады импульстің ұзақтығы түпнұсқадан 1000 есеге дейін 100000.

Содан кейін бір шаршы сантиметрге арналған гигаватттың интенсивтілік шегімен салыстырғанда интенсивтілігі жеткілікті төмен созылған импульс күшейту ортасына қауіпсіз енгізіліп, миллион немесе одан да көп есе күшейтіледі. Соңында, күшейтілген лазерлік импульс созылу процесінің кері жүрісі арқылы импульстің бастапқы еніне дейін қайта қалпына келтіріліп, CPA ойлап тапқанға дейін лазерлік жүйелер шығарғаннан гөрі жоғары деңгейге жетеді.

Ең жоғарғы қуаттан басқа, CPA лазерлік жүйелерді кішірейтуге мүмкіндік береді (компрессор ең үлкен бөлігі). Тераватт лазер ретінде белгілі үстелдегі жоғары қуатты лазер (T3 лазерлік, әдетте жеткізілім джоуль ішіндегі энергия пикосекунд), CPA техникасы негізінде жасалуы мүмкін.[4]

Зембілдің және компрессордың дизайны

Компрессорлар мен зембілдерді салудың бірнеше әдісі бар. Дегенмен, әдеттегі Ti: сапфир негізіндегі хирпульсті-импульсті күшейткіш импульстардың бірнеше жүз пикосекундқа дейін созылуын қажет етеді, демек толқын ұзындығының әр түрлі компоненттері жолдың ұзындығында шамамен 10 см айырмашылықты сезінуі керек. Бұған жетудің ең практикалық тәсілі - тор негізіндегі зембілдер мен компрессорлар. Зембілдер мен компрессорлар олардың дисперсиясымен сипатталады. Бірге теріс дисперсия, жиілігі жоғары жарық (толқын ұзындығы қысқа), құрылғы арқылы жүру үшін аз жиіліктегі жарыққа (толқын ұзындығы ұзағырақ) қарағанда аз уақыт кетеді. Бірге оң дисперсия, бұл керісінше. CPA-да зембіл мен компрессордың дисперсиялары жойылуы керек. Практикалық ойларға байланысты (жоғары қуатты) компрессор әдетте теріс дисперсиямен, ал (аз қуатты) зембіл оң дисперсиямен жобаланған.

Негізінде оптикалық құрылғының дисперсиясы функция болып табылады , қайда бұл жиілік компоненті бастан кешіктірген уақыт . (Кейде фаза қайда қолданылады c жарық жылдамдығы және толқын ұзындығы.) Дәндік лазерден компрессордың шығуына дейінгі бүкіл тізбектегі әрбір компонент дисперсияға ықпал етеді. Зембіл мен компрессордың дисперсиясын реттеу қиын болады, нәтижесінде импульстер 100 фемтосекундадан қысқа болады. Ол үшін қосымша дисперсиялық элементтер қажет болуы мүмкін.

Торлармен

Сурет 1. Теріс дисперсиясы бар торға негізделген компрессордың схемасы, яғни қысқа толқын ұзындықтары (көк түспен) бірінші шығады.

1-суретте тордың ең қарапайым конфигурациясы көрсетілген, мұнда ұзын толқын компоненттері қысқа толқынды компоненттерге қарағанда үлкен арақашықтықты өтеді (теріс дисперсия). Көбінесе, суретте көрсетілгендей, сәуле торды екі рет емес, төрт рет соғатындай қосымша айналары бар жалғыз тор қолданылады, бұл әдетте компрессор ретінде пайдаланылады, себебі ол трансмиссиялық компоненттерді қамтымайды. жоғары қарқынды импульстермен жұмыс істеу кезінде қажет емес жанама әсерлерге. Дисперсияны екі тор арасындағы қашықтықты өзгерту арқылы оңай реттеуге болады.

Сурет 2. Торға негізделген зембілдің схемалық орналасуы. Бұл жағдайда, , бұл оң дисперсияға әкеледі, яғни ұзын толқын ұзындығы (қызылмен) бірінші орынға шығады.

2-суретте фокустық элементтерді қамтитын тордың күрделі конфигурациясы көрсетілген, мұнда линзалар бейнеленген. Линзалар қашықтықта орналасқан бір-бірінен (олар телескоптың 1: 1 рөлін атқарады) және қашықтықта торлардан. Егер , орнату а ретінде жұмыс істейді оң дисперсия зембіл және егер , Бұл теріс дисперсия зембіл. The жағдайда қолданылады Импульсті фемтосекундты қалыптастыру. Әдетте фокустық элемент линзадан гөрі сфералық немесе цилиндрлік айна болып табылады. 1-суреттегі конфигурациядағы сияқты, қосымша айна қолдануға және екі бөлек емес, бір торды пайдалануға болады. Бұл қондырғы сәуленің диаметрі телескоптың ұзындығымен салыстырғанда өте аз болуын талап етеді; әйтпесе жағымсыз ауытқулар енгізіледі. Осы себептен оны көбейту кезеңінен бұрын зембіл ретінде пайдаланады, өйткені интенсивтілігі төмен тұқым импульстарын диаметрі аз сәулеге дейін коллимациялауға болады.

Призмалармен

Сурет 3. Призмалық зембіл. Бұл конфигурация оң дисперсияға ие. Әр түрлі толқын ұзындықтары әр түрлі жолдар бойымен жүрсе де, тиімді ұзындық айырмашылықтары дисперсті импульстің түстерімен көрсетілгендей аз.

Қолдануға болады призмалар 3-суреттегідей дисперсиялық элементтер ретіндегі торлардан гөрі, осындай қарапайым өзгеріске қарамастан, қондырғы басқаша жұмыс істейді, бірінші кезектегідей топтық дисперсия енгізілмейді. Мұндай зембіл / компрессор геометрияға және призмалардың материалдық қасиеттеріне байланысты оң немесе теріс дисперсияға ие болуы мүмкін. Линзалармен 2-суретке ұқсас дисперсияның белгісін өзгертуге болады, дисперсиялық элементтер арасындағы берілген қашықтық үшін призмалар торларға қарағанда әлдеқайда аз дисперсия жасайды. Призмалар мен торлар кейде жоғары ретті дисперсияны («гризмалар») түзету үшін біріктіріледі, бұл жағдайда призмалар арасындағы қашықтық торлы компрессордағыдай 50 см емес, 10 метрлік тәртіпте болады. Ризашылықтар басқа реттерде күшін жоғалтады, ал призмалар күшін жоғалтады Рэлей шашырау.

Шырылдаған импульстардың фазалық конъюгациясы

Шырылдаған импульстар лазерлік күшейткіштер фазалық конъюгациялы айнадан шағылысу арқылы фазалық құлыпталуы мүмкін [5]сияқты жарықтығын арттыру үшін . Осы мақсатта Kerr төрт толқынды араластыруды бұзады Фазалық конъюгация сәйкес келеді.[6]

Басқа әдістер

Импульстерді созу және сығу үшін кейбір басқа әдістерді қолдануға болады, бірақ олардың таралуы шектеулі болғандықтан және жоғары қарқынды импульстермен жұмыс істей алмауына байланысты олар CPA негізгі зембіл / компрессор ретінде жарамсыз.

  • Импульсті 200 мм әйнек тәрізді мөлдір материалдың қалың тақтайшасы арқылы таратуға мүмкіндік беру арқылы созуға болады. Призмалар сияқты, тек шектеулі мөлшерде дисперсия физикалық практикалық өлшемдер шеңберінде қол жеткізуге болады. Жарық көрінетін спектрден тыс материалдар оң және теріс дисперсия үшін де бар. Көрінетін және инфрақызылға жақын толқын ұзындықтары үшін барлық мөлдір материалдар оң дисперсияға ие. Алайда, әйнек талшықтары олардың дисперсиясын қажеттілікке сәйкес келтіре алады.
  • Жұбы арасындағы бір немесе бірнеше шағылысу шыңғырған айналар немесе соған ұқсас құрылғы кез-келген түрдегі дыбыстарға жол береді. Бұл көбінесе басқа тапсырыстармен бірге жоғары тапсырыстарды түзету үшін қолданылады.
  • The Қараңғы - бұл акустикалық толқыннан жарық бөлінетін коммерциялық импульстер. Акустикалық толқынның уақытын, жиілігін және амплитудасын баптай отырып, бірнеше пикосекундқа максималды кідіріспен ерікті дисперсиялық функцияларды енгізуге болады.
  • Фазалық ығысу маскасын 2-суреттегі зембілдің фокустық жазықтығына орналастыруға болады, ол қосымша дисперсияны енгізеді. Мұндай маска болуы мүмкін СКД массив, мұнда фазалық ауысуды пиксельдегі кернеуді өзгерту арқылы реттеуге болады. Бұл максималды бірнеше ондаған пикосекунд кідірісімен ерікті дисперсия функцияларын тудыруы мүмкін. Мұндай қондырғы а деп аталады импульстік пішіндеуші.

Қолданбалар

CPA барлық жоғары қуатты лазерлерде қолданылады (100-ден жоғары) тераватт ) әлемде, ≈500 ТВ қоспағанда Ұлттық тұтану қондырғысы. Осы лазерлердің кейбір мысалдары Вулкандық лазер кезінде Резерфорд Эпплтон зертханасы Келіңіздер Орталық лазерлік қондырғы, Diocles лазері Небраска-Линкольн университеті, GEKKO XII лазерлік инженерия институтындағы GEKKO XII қондырғысында лазер Осака университеті, OMEGA EP лазері Рочестер университетінде Лазерлік энергияға арналған зертхана және бұрынғы бөлшектелген петаватт желісі Жаңа лазер кезінде Лоуренс Ливермор ұлттық зертханасы. Жерар Моуру өзінің радиоактивті материалын (нысанаға кіретін) трансмутациялау үшін жоғары энергиялы және ұзақ емес лазерлік импульстерді жасау үшін CPA-ны қолдануды ұсынды, оның жартылай шығарылу кезеңін мыңдаған жылдардан бірнеше минутқа дейін қысқарту.[7][8]

Осы заманауи зерттеу жүйелерінен басқа бірқатар коммерциялық өндірушілер сатады Ти: сапфир - ең жоғарғы қуаты 10-дан 100 гигаваттқа дейінгі CPA-ға негізделген.

Сондай-ақ қараңыз

Әдебиеттер тізімі

  1. ^ Пасчотта, Рюдигер (1 шілде, 2017). «Импульсті күшейту». RP фотоника энциклопедиясы. Алынған 2 қазан, 2018.
  2. ^ Стрикленд, Донна; Моуру, Жерар (1985). «Күшейтілген хирптикалық оптикалық импульстарды қысу» (PDF). Оптикалық байланыс. Elsevier BV. 56 (3): 219–221. Бибкод:1985OptCo..56..219S. CiteSeerX  10.1.1.673.148. дои:10.1016/0030-4018(85)90120-8. ISSN  0030-4018. Архивтелген түпнұсқа (PDF) 2018-12-23 күндері. Алынған 2018-10-02.
  3. ^ «Физика бойынша Нобель сыйлығы-2018». Нобель қоры. Алынған 2 қазан 2018.
  4. ^ МакКрори, Роберт Л. (қазан 2006). Тераватт үстелден Petawatt лазерлік жүйелеріне дейін импульсті күшейтудің ультра жылдамдықтағы революциясы (PDF). Оптикадағы шекаралар 2006 ж. Рочестер, Нью-Йорк.
  5. ^ Басов, N G; Зубарев, I G; Миронов, А Б; Михайлов, S I; Окулов, А Ю (1980). «Лазерлік интерферометр, толқындық алдыңғы айналармен». Сов. Физ. JETP. 52 (5): 847. Бибкод:1980ZHETF..79.1678B.
  6. ^ Окулов, А Ю (2014). «Mickelson фазалық конъюгаторы бар когерентті импульстік лазерлік желі». Қолданбалы оптика. 53 (11): 2302–2311. arXiv:1311.6703. дои:10.1364 / AO.53.002302.
  7. ^ «Нобель сыйлығының лауреаты ядролық қалдықтарды шешудің жолын таба алады». Bloomberg.com. Алынған 2020-09-09.
  8. ^ «Лазерлер ғаламдық ядролық қалдықтарды қалай шеше алады». 8 сәуір, 2019.