Láser ultrarrápido para a ciencia dos atosegundos

Láser ultrarrápidopara a ciencia da atosegundos
Na actualidade, os pulsos de atosegundos obtéñense principalmente mediante a xeración de harmónicos de alta orde (HHG) impulsados ​​por campos fortes. A esencia da súa xeración pódese entender como a ionización, aceleración e recombinación de electróns por un forte campo eléctrico láser para liberar enerxía, emitindo así pulsos XUV de atosegundos.
Polo tanto, a saída de atosegundos é extremadamente sensible á anchura do pulso, á enerxía, á lonxitude de onda e á taxa de repetición doláser de condución(Láser ultrarrápido): unha largura de pulso máis curta é beneficiosa para illar pulsos de atosegundos, unha maior enerxía mellora a ionización e a eficiencia, unha lonxitude de onda máis longa aumenta a enerxía de corte pero reduce significativamente a eficiencia de conversión e unha maior taxa de repetición mellora a relación sinal-ruído pero está limitada pola enerxía dun só pulso. Diferentes aplicacións (como a microscopía electrónica, a espectroscopia de absorción de raios X, a conta de coincidencias, etc.) teñen diferentes énfases no índice de pulso de atosegundos, o que expón requisitos diferenciados e completos para impulsar láseres. Mellorar o rendemento dos láseres de impulsión é crucial para o seu uso na ciencia dos atosegundos.

Catro vías tecnolóxicas principais para mellorar o rendemento dos láseres de condución (láser ultrarrápido)
1. Maior enerxía: deseñado para superar a baixa eficiencia de conversión do HHG e obter pulsos de atosegundos de alto rendemento. A evolución tecnolóxica pasou da amplificación de pulsos con chirrido tradicional (CPA) á familia de amplificación paramétrica óptica, incluíndo a amplificación de pulsos con chirrido paramétrico óptico (OPCPA), o OPA con chirrido dual (DC-OPA), o OPA no dominio da frecuencia (FOPA) e o OPCPA de coincidencia cuasi de fase (QPCPA). Combina ademais as técnicas de síntese de feixe coherente (CBC) e de amplificación por división de pulsos (DPA) para superar as limitacións físicas dos amplificadores dunha soa canle, como os efectos térmicos e os danos non lineais, e lograr unha saída de enerxía de nivel Joule.
2. Ancho de pulso máis curto: deseñado para xerar pulsos illados de atosegundos que se poden empregar para analizar a dinámica electrónica, o que require poucos pulsos de accionamento ou incluso subperiódicos e unha fase de envolvente da portadora (CEP) estable. As principais tecnoloxías inclúen o uso de técnicas de poscompresión non lineais como a fibra de núcleo oco (HCF), a película multifina (MPSC) e a cavidade multicanle (MPC) para comprimir o ancho de pulso a lonxitudes extremadamente curtas. A estabilidade CEP mídese cun interferómetro f-2f e conséguese mediante retroalimentación/prealimentación activa (como AOFS, AOPDF) ou mecanismos pasivos de autoestabilización totalmente óptica baseados en procesos de diferenza de frecuencia.
3. Lonxitude de onda máis longa: deseñada para impulsar a enerxía dos fotóns de atosegundos á banda da "xanela da auga" para a obtención de imaxes de biomoléculas. As tres principais vías tecnolóxicas son:
Amplificación paramétrica óptica (OPA) e a súa cascada: é a solución principal no rango de lonxitudes de onda de 1-5 μm, empregando cristais como BiBO e MgO:LN; >Para a banda de lonxitudes de onda de 5 μm requírense cristais como ZGP e LiGaS₂.
Xeración de frecuencia diferencial (DFG) e frecuencia diferencial intrapulso (IPDFG): poden proporcionar fontes de sementes con estabilidade CEP pasiva.
A tecnoloxía láser directa, como os láseres de calcoxenuro dopados con metais de transición Cr:ZnS/Se, coñécese como "zafiro de titanio no infravermello medio" e ten as vantaxes dunha estrutura compacta e unha alta eficiencia.
4. Maior taxa de repetición: destinada a mellorar a relación sinal-ruído e a eficiencia da adquisición de datos, así como a abordar as limitacións dos efectos da carga espacial. Dúas vías principais:
Tecnoloxía de cavidades resonantes melloradas por resonancia: o uso de cavidades resonantes de alta precisión para mellorar a potencia máxima dos pulsos de frecuencia repetitiva a nivel de megahercios para impulsar a HHG aplicouse en campos como os peites de frecuencia XUV, pero a xeración de pulsos illados de atosegundos aínda presenta desafíos.
Alta taxa de repetición eláser de alta potenciaA transmisión directa, incluíndo OPCPA, CPA de fibra combinada con postcompresión non lineal e oscilador de película fina, conseguiu a xeración de pulsos de atosegundos illados a unha taxa de repetición de 100 kHz.