لیزر فوق سریع برای علم آتوثانیه

لیزر فوق سریعبرای علم اتوثانیه
در حال حاضر، پالس‌های آتوثانیه عمدتاً از طریق تولید هارمونیک مرتبه بالا (HHG) که توسط میدان‌های قوی هدایت می‌شوند، به دست می‌آیند. ماهیت تولید آنها را می‌توان به این صورت درک کرد که الکترون‌ها توسط یک میدان الکتریکی لیزر قوی یونیزه، شتاب گرفته و دوباره ترکیب می‌شوند تا انرژی آزاد کنند و در نتیجه پالس‌های آتوثانیه XUV ساطع کنند.
بنابراین، خروجی آتوثانیه به شدت به پهنای پالس، انرژی، طول موج و نرخ تکرار پالس حساس است.لیزر رانندگی(لیزر فوق سریع): پهنای پالس کوتاه‌تر برای جداسازی پالس‌های آتوثانیه مفید است، انرژی بالاتر یونیزاسیون و راندمان را بهبود می‌بخشد، طول موج بلندتر انرژی قطع را افزایش می‌دهد اما راندمان تبدیل را به طور قابل توجهی کاهش می‌دهد، و نرخ تکرار بالاتر نسبت سیگنال به نویز را بهبود می‌بخشد اما توسط انرژی تک پالس محدود می‌شود. کاربردهای مختلف (مانند میکروسکوپ الکترونی، طیف‌سنجی جذب اشعه ایکس، شمارش تصادفی و غیره) تأکیدات متفاوتی بر شاخص پالس آتوثانیه دارند که الزامات متمایز و جامعی را برای لیزرهای محرک مطرح می‌کند. بهبود عملکرد لیزرهای محرک برای استفاده در علم آتوثانیه بسیار مهم است.

چهار مسیر اصلی فناوری برای افزایش عملکرد لیزرهای محرک (لیزر فوق سریع)
۱. انرژی بالاتر: برای غلبه بر راندمان تبدیل پایین HHG و دستیابی به پالس‌های آتوثانیه با توان عملیاتی بالا طراحی شده است. تکامل فناوری از تقویت پالس چیرپ شده سنتی (CPA) به خانواده تقویت پارامتری نوری، از جمله تقویت پالس چیرپ شده پارامتری نوری (OPCPA)، OPA چیرپ شده دوگانه (DC-OPA)، OPA حوزه فرکانس (FOPA) و OPCPA تطبیق شبه فاز (QPCPA) تغییر یافته است. ترکیب بیشتر تکنیک‌های سنتز پرتو همدوس (CBC) و تقویت تقسیم پالس (DPA) برای غلبه بر محدودیت‌های فیزیکی تقویت‌کننده‌های تک کاناله، مانند اثرات حرارتی و آسیب غیرخطی، و دستیابی به خروجی انرژی در سطح ژول.
۲. پهنای پالس کوتاه‌تر: برای تولید پالس‌های اتوثانیه ایزوله طراحی شده است که می‌توانند برای تحلیل دینامیک الکترونیکی مورد استفاده قرار گیرند و به پالس‌های محرک کم یا حتی زیر دوره‌ای و فاز پوشش حامل پایدار (CEP) نیاز دارند. فناوری‌های اصلی شامل استفاده از تکنیک‌های فشرده‌سازی پسا غیرخطی مانند فیبر هسته توخالی (HCF)، فیلم نازک چندگانه (MPSC) و حفره چند کاناله (MPC) برای فشرده‌سازی پهنای پالس به طول‌های بسیار کوتاه است. پایداری CEP با استفاده از تداخل‌سنج f-2f اندازه‌گیری می‌شود و از طریق بازخورد/پیش‌خور فعال (مانند AOFS، AOPDF) یا مکانیسم‌های خودپایدارسازی تمام نوری غیرفعال مبتنی بر فرآیندهای اختلاف فرکانس به دست می‌آید.
۳. طول موج بلندتر: برای رساندن انرژی فوتون آتوثانیه به باند «پنجره آب» برای تصویربرداری از مولکول‌های زیستی طراحی شده است. سه مسیر اصلی فناوری عبارتند از:
تقویت پارامتری نوری (OPA) و آبشار آن: این روش، راهکار اصلی در محدوده طول موج ۱ تا ۵ میکرومتر است که از کریستال‌هایی مانند BiBO و MgO استفاده می‌کند: LN؛ >کریستال‌هایی مانند ZGP و LiGaS₂ برای باند طول موج ۵ میکرومتر مورد نیاز هستند.
تولید فرکانس تفاضلی (DFG) و فرکانس تفاضلی درون پالسی (IPDFG): می‌توانند منابع بذر با پایداری CEP غیرفعال را فراهم کنند.
فناوری لیزر مستقیم، مانند لیزرهای کالکوژنید آلاییده شده با فلزات واسطه Cr:ZnS/Se، به عنوان "یاقوت تیتانیومی مادون قرمز میانی" شناخته می‌شود و از مزایای ساختار فشرده و راندمان بالا برخوردار است.
۴. نرخ تکرار بالاتر: با هدف بهبود نسبت سیگنال به نویز و راندمان جمع‌آوری داده و رفع محدودیت‌های اثرات بار فضایی. دو مسیر اصلی:
فناوری حفره تشدید شده: استفاده از حفره‌های تشدید با دقت بالا برای افزایش توان اوج پالس‌های فرکانس تکراری سطح مگاهرتز برای راه‌اندازی HHG، در زمینه‌هایی مانند شانه‌های فرکانس XUV اعمال شده است، اما تولید پالس‌های آتوثانیه ایزوله هنوز چالش‌هایی را ایجاد می‌کند.
نرخ تکرار بالا ولیزر پرقدرتدرایو مستقیم، شامل OPCPA، CPA فیبری همراه با فشرده‌سازی غیرخطی پس از فشرده‌سازی، و نوسان‌ساز فیلم نازک، به تولید پالس آتوثانیه ایزوله با نرخ تکرار ۱۰۰ کیلوهرتز دست یافته است.