Сверхбыстрый лазердля аттосекундной науки
В настоящее время аттосекундные импульсы получают в основном путем генерации гармоник высокого порядка (ГВГ), возбуждаемой сильными полями. Суть их генерации можно понять как ионизацию, ускорение и рекомбинацию электронов под действием сильного электрического поля лазера с высвобождением энергии и, следовательно, излучением аттосекундных рентгеновских ультрафиолетовых импульсов.
Следовательно, аттосекундный выходной сигнал чрезвычайно чувствителен к ширине импульса, энергии, длине волны и частоте повторения.управляющий лазер(Сверхбыстрый лазер): меньшая ширина импульса полезна для выделения аттосекундных импульсов, более высокая энергия улучшает ионизацию и эффективность, большая длина волны повышает энергию отсечки, но значительно снижает эффективность преобразования, а более высокая частота повторения улучшает отношение сигнал/шум, но ограничена энергией одиночного импульса. Различные области применения (такие как электронная микроскопия, рентгеновская абсорбционная спектроскопия, подсчет совпадений и т. д.) имеют разные приоритеты в отношении индекса аттосекундного импульса, что предъявляет дифференцированные и комплексные требования к управляющим лазерам. Улучшение характеристик управляющих лазеров имеет решающее значение для их использования в аттосекундной науке.
Четыре основных технологических направления для повышения производительности управляющих лазеров (сверхбыстрых лазеров)
1. Более высокая энергия: Разработан для преодоления низкой эффективности преобразования генерации высоких гармоник и получения высокопроизводительных аттосекундных импульсов. Технологическая эволюция сместилась от традиционного усиления чирпированных импульсов (CPA) к семейству оптических параметрических усилений, включая оптическое параметрическое усиление чирпированных импульсов (OPCPA), двойное чирпированное OPA (DC-OPA), OPA в частотной области (FOPA) и OPCPA с квазифазовым согласованием (QPCPA). Дальнейшее объединение методов синтеза когерентного пучка (CBC) и синтеза усиления с разделением импульсов (DPA) позволяет преодолеть физические ограничения одноканальных усилителей, такие как тепловые эффекты и нелинейное повреждение, и достичь энергетического уровня Джоуля.
2. Меньшая ширина импульса: Предназначена для генерации изолированных аттосекундных импульсов, которые можно использовать для анализа электронной динамики, требуя небольшого количества или даже субпериодических управляющих импульсов и стабильной фазы несущей (ФН). Основные технологии включают использование нелинейных методов посткомпрессии, таких как полое волокно (HCF), многослойная тонкая пленка (MPSC) и многоканальный резонатор (MPC), для сжатия ширины импульса до чрезвычайно малых значений. Стабильность ФН измеряется с помощью f-2f интерферометра и достигается за счет активной обратной/прямой связи (например, AOFS, AOPDF) или пассивных полностью оптических механизмов самостабилизации, основанных на процессах разности частот.
3. Большая длина волны: Предназначена для перевода энергии аттосекундных фотонов в диапазон «водного окна» для визуализации биомолекул. Три основных технологических направления:
Оптическое параметрическое усиление (ОПУ) и его каскад: это основное решение в диапазоне длин волн 1-5 мкм, использующее такие кристаллы, как BiBO и MgO: LN; >Для диапазона длин волн 5 мкм требуются такие кристаллы, как ZGP и LiGaS₂.
Генерация дифференциальной частоты (DFG) и внутриимпульсная дифференциальная частота (IPDFG): могут обеспечить источники затравки с пассивной стабильностью CEP.
Технология прямых лазеров, например, лазеры на основе халькогенидов переходных металлов, легированных Cr:ZnS/Se, известна как «титан-сапфировые лазеры среднего инфракрасного диапазона» и обладает преимуществами компактной конструкции и высокой эффективности.
4. Более высокая частота повторения: направлена на улучшение отношения сигнал-шум и эффективности сбора данных, а также на устранение ограничений, связанных с эффектами пространственного заряда. Два основных направления:
Технология резонансно-усиленных резонаторов: использование высокоточных резонансных резонаторов для увеличения пиковой мощности повторяющихся импульсов мегагерцового уровня для генерации высоких гармоник, применяется в таких областях, как частотные гребенки в рентгеновском диапазоне, однако генерация изолированных аттосекундных импульсов по-прежнему представляет собой сложную задачу.
Высокая частота повторения имощный лазерТехнология прямого управления, включающая OPCPA, волоконный CPA в сочетании с нелинейным посткомпрессионным сжатием и тонкопленочный осциллятор, позволила добиться генерации изолированных аттосекундных импульсов с частотой повторения 100 кГц.
Дата публикации: 16 марта 2026 г.