삐걱거리는 펄스 증폭

처프 펄스 증폭(CPA)은 초경량 레이저 펄스를 페타왓트 레벨까지 증폭시키는 기법으로 레이저 펄스가 일시적으로, 스펙터클하게 뻗었다가 증폭됐다가 다시 압축된다.^[1] 스트레칭과 압축은 펄스의 다른 색 구성 요소가 다른 거리를 이동하도록 하는 장치를 사용한다.

레이저 CPA는 1980년대 중반 로체스터 대학의 도나 스트릭랜드와 제라드 모우루(Gérard Morou)에 의해 도입되었으며,^[2] 2018년 노벨 물리학상을 받았다.^[3]

CPA는 세계 대부분의 최고출력 레이저가 사용하는 최신 기술이다.

배경

1980년대 중반 CPA가 도입되기 전에는 평방 센티미터당 기가와트 강도의 레이저 펄스로 인해 자기집중 등 비선형 공정을 통해 게인 매체에 심각한 손상을 입히기 때문에 레이저 펄스의 피크 출력이 제한되었다. 예를 들어, 가장 강력한 압축 CPA 레이저 빔의 일부는 초점이 맞지 않는 큰 구멍(압축 그릴을 빠져나온 후)에서도 700 GW/cm의² 강도를 초과할 수 있으며, 이 강도는 공기 중에 전파되도록 허용되면 레이저 이득 매체가 즉시 자기 초점을 맞추고 플라즈마를 형성하거나 필라멘트 전파를 일으키게 되는데, 이 두 가지 모두 또는 필라멘트 전파를 망치게 된다.피질 빔의 바람직한 품질과 심지어 레이저 구성품을 손상시킬 수 있는 역반사를 일으킬 수 있다. 레이저 펄스의 강도를 비선형 효과의 문턱 이하로 유지하기 위해서는 레이저 시스템이 크고 비싸야 했으며, 레이저 펄스의 최고 출력은 매우 큰 멀티 빔 설비의 경우 높은 기가와트 레벨이나 테라와트 레벨로 제한되었다.

반면에 CPA에서는 레이저 펄스의 저주파 성분이 고주파 성분보다 더 짧은 경로를 이동하도록 배열된 한 쌍의 그라프트를 이용하여 이를 게인 매질에 도입하기 전에 초음파 레이저 펄스를 시간 내에 늘린다. 그래팅 페어를 거친 후 레이저 펄스가 양적으로 짹짹거리게 되는데, 즉 고주파 성분이 저주파 성분보다 뒤처지고, 1000~10만 배 정도 더 긴 펄스 지속시간을 갖는다.

그러면 제곱 센티미터 당 기가와트의 강도 한계에 비해 강도가 충분히 낮은 늘어난 맥박은 게인 매개체에 안전하게 유입되어 100만 이상의 인수로 증폭된다. 마지막으로 증폭된 레이저 펄스는 스트레칭 프로세스의 역전을 통해 원래의 펄스 폭으로 다시 압축되어 CPA가 발명되기 전에 레이저 시스템이 생성할 수 있는 것보다 더 높은 최대 전력의 순서를 달성한다.

더 높은 피크 전력 외에도, CPA는 레이저 시스템(압축기가 가장 큰 부분)의 소형화가 가능하도록 한다. 테이블톱 테라와트 레이저(T³ 레이저, 일반적으로 1피코초 이내에 1줄의 에너지를 전달함)로 알려진 소형 고출력 레이저를 CPA 기법에 따라 만들 수 있다.^[4]

들것 및 컴프레서 설계

압축기와 들것을 만드는 몇 가지 방법이 있다. 그러나 일반적인 Ti:sapfire 기반 처프-펄스 앰프는 펄스가 수백 피코초까지 늘어나야 하며 이는 다른 파장 성분이 경로 길이에서 약 10 cm의 차이를 경험해야 함을 의미한다. 이를 달성하기 위한 가장 실용적인 방법은 격자 기반 들것과 압축기를 사용하는 것이다. 들것과 압축기는 분산되어 있는 것이 특징이다. 음의 분산으로 주파수(더 짧은 파장)가 높은 빛은 주파수(더 긴 파장)가 낮은 빛보다 장치를 통과하는 데 더 적은 시간이 걸린다. 긍정적인 분산과 함께, 그것은 반대 방향이다. CPA에서는 들것과 압축기의 분산이 취소되어야 한다. 실용적인 고려사항 때문에 (고출력) 압축기는 보통 음의 분산으로 설계되며, 따라서 (저출력) 들것에는 양의 분산으로 설계된다.

In principle, the dispersion of an optical device is a function ${\displaystyle \tau (\omega )}$, where ${\displaystyle \tau }$ is the time delay experienced by a frequency component ${\displaystyle \omega }$. (Sometimes the phase ${\displaystyle \phi (\omega )=2\pi \tau (\omega$$)c/\lambda (\omega )}$이(가$$) 사용되는데 여기서 c는 빛의 속도, $\lambda {\displaystyle }$ ${\$디스플레이 $스타일 \lambda }$이(가) 파장이다.) 시드 레이저에서 압축기 출력에 이르는 전체 체인의 각 구성요소는 분산에 기여한다. 결과 펄스가 약 100 펨토초 이하로 짧도록 들것과 압축기의 분산을 조절하기 어려운 것으로 나타났다. 이를 위해 추가적인 분산 요소가 필요할 수 있다.

팁과 함께

그림 1은 장파장 구성 요소가 단파장 구성 요소보다 더 큰 거리(음파장 분산)를 이동하는 가장 단순한 그래팅 구성을 보여준다. 종종 단 하나의 그링만 사용되는데, 사진처럼 빔이 두 번이 아니라 네 번 그링에 맞도록 여분의 거울이 달려 있다. 이 설정은 고강도 펄스를 처리할 때 원치 않는 부작용을 초래할 수 있는 투과성 구성 요소를 포함하지 않기 때문에 일반적으로 압축기로 사용된다. 분산은 두 만족도 사이의 거리를 변경하여 쉽게 조정할 수 있다.

그림 2는 초점 요소를 포함하는 좀 더 복잡한 그래팅 구성을 보여주며, 여기서 렌즈로 묘사된다. 렌즈는 서로 ${\displaystyle \mathrm{2f}}$$[\displaystyle 2f]$ 거리에 위치하며(그들은 1:1 망원경의 역할을 한다), $그라프트$에서$$L[\$displaystyle L}$ 거리에$$ 위치한다. < ${\displaystyle L<f$인 경우 설정은 양의 분산 환자운반차 역할을 하며, > ${\displaystyle L>f$인 경우 음의 분산 환자운반차다. $L{\displaystyle }$= ${\displaystyle f}$ ${\displaystyle L=f}$ 케이스는$$ Femtosecond 펄스 쉐이핑에 사용된다. 보통 초점 요소는 렌즈보다는 구형 또는 원통형 거울이다. 그림 1의 구성과 마찬가지로 두 개의 별도 미러가 아닌 추가 미러와 단일 그리팅을 사용할 수 있다. 이 설정을 위해서는 망원경의 길이에 비해 빔 직경이 매우 작아야 한다. 그렇지 않으면 바람직하지 않은 이상이 도입될 것이다. 이 때문에 저강도 시드 펄스는 지름이 작은 빔으로 시준할 수 있기 때문에 통상 증폭기 이전의 들것으로 사용된다.

프리즘으로

그림 3과 같이 만족보다는 프리즘을 분산 요소로 사용하는 것이 가능하다. 이러한 간단한 변경에도 불구하고, 설정은 매우 다르게 동작하며, 첫 번째 주문에서는 그룹 지연 분산이 도입되지 않는다. 이러한 들것/압축기는 프리즘의 기하학적 특성과 재료 특성에 따라 양의 분산과 음의 분산을 모두 가질 수 있다. 렌즈를 사용하면 산포의 기호를 그림 2와 비슷하게 되돌릴 수 있다. 분산 요소 사이의 일정한 거리에 대해 프리즘은 만족보다 훨씬 적은 분산을 생성한다. 프리즘과 그라탕이 결합되어 고차 분산("그래즘")을 교정하는 경우도 있는데, 이 경우 프리즘 사이의 거리는 그링 압축기와 마찬가지로 50 cm가 아니라 10 m의 순서로 되어 있다. 그라탕은 다른 주문에 힘을 잃고 프리즘은 레일리 산란으로 힘을 잃는다.

처림 펄스의 위상변화

${\displaystyle {N\mathrm{}}^{}}$ ${\displaystyle N}$ 레이저$$ 증폭기의 처프 펄스는 $N{\displaystyle {}^{}}$ 2 ${\$ N$^{2}}$에 따라 밝기를 증가시키기 위해 위상결합 미러에서^[5] 반사하여 위상 잠길 수 있다$.$ 이러한 목적을 위해 4파 혼합 Ker Phase가 관련된다.^[6]

기타 기법

다른 몇 가지 기법은 스트레칭 및 압축 펄스에 사용할 수 있지만, 분산량이 제한적이고 고강도 펄스를 처리할 수 없기 때문에 CPA에서 주 들것/압축기로 적합하지 않다.

• 맥박은 200mm 유리처럼 투명한 물질의 두꺼운 판을 통해 전파되도록 하는 것만으로 간단히 늘어나게 할 수 있다. 프리즘과 마찬가지로, 물리적으로 실제적인 차원에서는 제한된 양의 분산만 달성할 수 있다. 가시광선 스펙트럼 외부에는 양의 분산과 음의 분산을 위해 물질이 존재한다. 가시적이고 근적외선 파장의 경우 거의 모든 투명 물질은 양의 분산을 가진다. 그러나 유리 섬유는 필요에 따라 분산될 수 있다.
• 한 쌍의 짹짹거리는 거울이나 유사한 장치 사이에 한 개 또는 여러 개의 반사가 있으면 어떤 형태의 짹짹거림도 허용된다. 이것은 종종 더 높은 주문에 대해 교정하기 위해 다른 기법과 함께 사용된다.
• 데즐러는 빛이 음파에서 발산되는 상업용 펄스 샤이퍼다. 음향파의 타이밍, 주파수, 진폭을 튜닝해 최대 몇 피코초 지연으로 임의의 분산 기능을 도입할 수 있다.
• 위상변위 마스크는 그림 2의 들것의 초점면에 배치할 수 있으며, 추가 분산을 도입한다. 이러한 마스크는 LCD 어레이일 수 있으며, 위상 편이 픽셀의 전압을 변경하여 조정할 수 있다. 이것은 최대 몇 십 초의 지연으로 임의의 분산 기능을 생성할 수 있다. 그러한 설정을 펄스 셰이퍼라고 한다.

적용들

CPA는 ≈500 TW 국가 점화 설비를 제외한 전 세계 최고출력 레이저(약 100테라와트 이상)에 모두 사용된다. Some examples of these lasers are the Vulcan laser at the Rutherford Appleton Laboratory's Central Laser Facility, the Diocles laser at the University of Nebraska–Lincoln, the GEKKO XII laser at the GEKKO XII facility in the Institute for Laser Engineering at Osaka University, the OMEGA EP laser at the University of Rochester's Lab for Laser Energ로런스 리버모어 국립 연구소의 옛 노바 레이저에 달린 이틱스와 현재 분해된 페타와트 라인. 제라드 모우루는 CPA를 사용하여 고에너지 및 저시간 레이저 펄스를 생성하여 고방사성 물질(표적에 포함)을 변환시켜 반감기를 수천 년에서 단 몇 분으로 대폭 줄일 것을 제안했다.^[7][8]

이러한 최첨단 연구 시스템과는 별개로 다수의 상업용 제조업체들이 10~100기가와트의 최대 전력을 가진 Ti:sapfire 기반 CPA를 판매하고 있다.

참고 항목

• 펨토테크놀로지
• 그룹 속도
• 모드 잠금

참조