Ultrasnelle laser voor attoseconde-onderzoek

Ultrasnelle laservoor attoseconde wetenschap
Momenteel worden attoseconde pulsen voornamelijk verkregen door middel van hoogfrequente harmonische generatie (HHG) aangedreven door sterke velden. De essentie van hun generatie kan worden begrepen als het ioniseren, versnellen en recombineren van elektronen door een sterk elektrisch veld van een laser, waarbij energie vrijkomt en attoseconde XUV-pulsen worden uitgezonden.
Daarom is de attoseconde-output extreem gevoelig voor de pulsbreedte, energie, golflengte en herhalingsfrequentie van deaandrijflaser(Ultrasnelle laser): een kortere pulsbreedte is gunstig voor het isoleren van attoseconde pulsen, een hogere energie verbetert de ionisatie en efficiëntie, een langere golflengte verhoogt de afsnij-energie maar vermindert de conversie-efficiëntie aanzienlijk, en een hogere herhalingsfrequentie verbetert de signaal-ruisverhouding, maar wordt beperkt door de energie van een enkele puls. Verschillende toepassingen (zoals elektronenmicroscopie, röntgenabsorptiespectroscopie, coincidentietelling, enz.) leggen verschillende nadruk op de attoseconde pulsindex, wat leidt tot gedifferentieerde en uitgebreide eisen voor aansturingslasers. Het verbeteren van de prestaties van aansturingslasers is cruciaal voor gebruik in de attoseconde wetenschap.

Vier belangrijke technologische benaderingen om de prestaties van aandrijflasers te verbeteren (ultrasnelle laser)
1. Hogere energie: Ontworpen om de lage conversie-efficiëntie van HHG te overwinnen en attoseconde pulsen met een hoge doorvoer te verkrijgen. De technologische evolutie is verschoven van traditionele chirped pulse amplification (CPA) naar de familie van optische parametrische versterking, waaronder optische parametrische chirped pulse amplification (OPCPA), dual chirped OPA (DC-OPA), frequency domain OPA (FOPA) en quasi phase matching OPCPA (QPCPA). Verder worden coherent beam synthesis (CBC) en pulse splitting amplification (DPA) technieken gecombineerd om de fysieke beperkingen van enkelkanaals versterkers, zoals thermische effecten en niet-lineaire schade, te overwinnen en een energie-output op Joule-niveau te bereiken.
2. Kortere pulsbreedte: Ontworpen om geïsoleerde attoseconde pulsen te genereren die gebruikt kunnen worden voor de analyse van elektronische dynamica, waarbij weinig of zelfs subperiodieke stuurpulsen en een stabiele draaggolf-envelopfase (CEP) vereist zijn. De belangrijkste technologieën omvatten het gebruik van niet-lineaire postcompressietechnieken zoals hollevezel (HCF), meerlaagse dunnefilm (MPSC) en meerkanaalsholte (MPC) om de pulsbreedte te comprimeren tot extreem korte lengtes. De CEP-stabiliteit wordt gemeten met behulp van een f-2f-interferometer en bereikt door middel van actieve feedback/feedforward (zoals AOFS, AOPDF) of passieve volledig optische zelfstabilisatiemechanismen gebaseerd op frequentieverschilprocessen.
3. Langere golflengte: Ontworpen om de energie van attoseconde-fotonen naar de "watervenster"-band te brengen voor beeldvorming van biomoleculen. De drie belangrijkste technologische ontwikkelingen zijn:
Optische parametrische versterking (OPA) en de bijbehorende cascade: Dit is de gangbare oplossing in het golflengtebereik van 1-5 μm, waarbij kristallen zoals BiBO en MgO: LN worden gebruikt; voor de golflengteband van 5 μm zijn kristallen zoals ZGP en LiGaS₂ nodig.
Differentieel frequentiegeneratie (DFG) en intra-puls differentieel frequentiegeneratie (IPDFG): kunnen zaadbronnen leveren met passieve CEP-stabiliteit.
Directe lasertechnologie, zoals Cr:ZnS/Se-overgangsmetaalgedoteerde chalcogenidelasers, staat bekend als het "midden-infrarood titaniumsaffier" en heeft als voordelen een compacte structuur en een hoog rendement.
4. Hogere herhalingsfrequentie: gericht op het verbeteren van de signaal-ruisverhouding en de efficiëntie van de data-acquisitie, en het aanpakken van de beperkingen van ruimteladingseffecten. Twee hoofdrichtingen:
Resonantieversterkte holtetechnologie: het gebruik van zeer nauwkeurige resonantieholtes om het piekvermogen van herhalende frequentiepulsen op megahertzniveau te versterken voor het opwekken van HHG, is toegepast in gebieden zoals XUV-frequentiekammen, maar het genereren van geïsoleerde attoseconde-pulsen blijft een uitdaging.
Hoge herhalingsfrequentie enkrachtige laserDirecte aansturing, inclusief OPCPA, vezel-CPA in combinatie met niet-lineaire nabewerking en dunnefilmoscillator, heeft geleid tot geïsoleerde attoseconde-pulsgeneratie met een herhalingsfrequentie van 100 kHz.