Эта проблема

Лазеры делают множество интересных вещей в исследованиях и приложениях, и для этого есть много веских причин, включая их когерентность, стабильность частоты и управляемость, но для некоторых приложений действительно важна чистая мощность.

В качестве простого примера давно было понятно, что если интенсивность света станет достаточно высокой, то предположение о линейности, лежащее в основе большей части классической оптики, рухнет, и станут доступными нелинейные оптические явления, такие как генерация второй гармоники , получая свет. заниматься всякими интересными делами. При использовании некогерентных источников света требуемая интенсивность непомерно высока, но после изобретения лазера понадобился всего один год до первой демонстрации генерации второй гармоники , а еще несколько коротких лет после этого до генерации третьей гармоники , третьей гармоники. порядок нелинейный процесс, который требует еще более высоких интенсивностей.

Иными словами, мощность имеет значение, и чем больше у вас будет доступной интенсивности, тем шире спектр нелинейно-оптических явлений будет открыт для исследования. Из-за этого большая часть лазерной науки была сосредоточена на увеличении доступной интенсивности, как правило, с использованием импульсных лазеров для достижения этой цели, и с заметными вехами, такими как модуляция добротности и синхронизация мод .

Однако, если вы попытаетесь продвинуться вперед с большим лазерным усилителем и все большей и большей мощностью, вам в основном суждено рано или поздно врезаться в кирпичную стену, довольно резко, в форме катастрофической самофокусировки . Это следствие еще одного нелинейного эффекта, эффекта Керра , происходящего внутри самой лазерной среды. На первый взгляд эффект Керра выглядит достаточно безобидным: в основном, он говорит о том, что если интенсивность достаточно высока, показатель преломления материала немного возрастет пропорционально интенсивности:

• интенсивность света будет выше в центре, а значит, показатель преломления будет выше в центре.
• Другими словами, оптические свойства материала будут такими же, как у выпуклой линзы, и он будет стремиться сфокусировать луч.
• Это приведет к тому, что луч станет более острым, что повысит интенсивность в центре, что поднимет показатель преломления в центре еще выше...
• ... что затем сфокусирует луч еще сильнее, что приведет к все большей и большей интенсивности.

Это создает петлю положительной обратной связи, и если начальная интенсивность достаточно высока, среда достаточно длинна, а начальной дифракции недостаточно, чтобы противодействовать ей, тогда она выйдет из-под контроля и вызовет катастрофические повреждения, вызванные лазером. та самая среда, которую вы пытаетесь использовать для усиления этого лазерного луча. (Более того, довольно часто, особенно в воздухе, лазер дифрагирует на поврежденном участке, а затем снова самофокусируется немного дальше по линии — явление, известное как лазерная филаментация . Если вы все сделаете неправильно , это может привести к отказу в усиливающей среде вплоть до разрушения всего луча.)

^{Источник изображения}

Это звучит как странный механизм, но очень долгое время он был огромным препятствием. Если вы начертите самую высокую интенсивность лазера, доступную в разное время с момента изобретения лазера, она быстро возрастет в течение шестидесятых годов, а затем упрется в стену и останется на месте в течение десяти-пятнадцати лет:

^{Источник изображения}

Это представляет собой барьер самофокусировки керровской линзы, и в то время единственным способом преодолеть его было создание лазера, который был бы физически больше, чтобы уменьшить интенсивность по большей усиливающей среде, чтобы попытаться предотвратить проблему. То есть до тех пор, пока не появилось Усиление Чирпированного Импульса, чтобы решить проблему.

Решение

По своей сути усиление чирпированных импульсов (CPA) работает, разбавляя свет, чтобы его можно было усилить до большей общей мощности, не достигая опасной интенсивности, но оно растягивается во времени , т. е. в продольном направлении вдоль лазерного импульса.

Базовая последовательность состоит из четырех шагов:

1. Прежде всего, вы начинаете с короткого лазерного импульса, который хотите усилить.

   

2. Затем вы растягиваете его во времени, вводя в сигнал чирп : то есть вы используете какой-то дисперсионный элемент, вроде призмы или дифракционной решетки, который разлагает импульс на все составляющие его цвета и посылает сначала более длинные волны, а затем более короткие волны сохраняются. Это, естественно, уменьшит интенсивность пульса.

   

   (Почему «чирикать»? Потому что скачок частот вверх (или вниз) по пульсу — это именно то, что придает птичьему щебетанию характерный звук.)

3. Затем вы пропускаете этот импульс меньшей интенсивности через свой лазерный усилитель, что безопасно, поскольку мгновенная интенсивность ниже порога повреждения самофокусировки вашей усиливающей среды.

   

4. Наконец, вы пропускаете свой импульс через перевернутый набор решеток, которые устраняют относительную задержку между более длинной и более короткой волнами вашего импульса, объединяя их в один импульс той же формы и длины, что и ваш первоначальный импульс. .

   

   ... но при гораздо более высокой усиленной мощности и при интенсивности, которую было бы невозможно безопасно достичь с помощью прямого усиления импульса.

Основная особенность этого метода заключается в том, что при правильном выполнении растяжение импульса полностью сохраняет когерентность между различными частотными компонентами, а это означает, что оно полностью обратимо, и когда вы добавляете подавляющий чирп, импульс будет вернуться к своей первоначальной форме.

Кроме того, метод основан на том факте, что вынужденное излучение будет полностью и когерентно дублировать фотоны, которые оно усиливает, а это означает, что фотоны, которые вводятся в результате усиления, будут иметь те же частотные и фазовые характеристики, что и исходный импульс. , что означает, что когда вы удаляете чирп из усиленного импульса, добавленные фотоны также сжимаются в плотную оболочку.

Приложения

Как я уже сказал в начале, CPA особенно полезен в тех местах, где необработанная мощность лазера и особенно концентрированная мощность лазера имеет первостепенное значение. Вот некоторые примеры:

• Точно так же, как лазеры дали нам нелинейную оптику, CPA был неотъемлемой частью разработки генерации гармоник высокого порядка, которая оттеснила гармоники второго или третьего порядка, чтобы успешно производить десятки или сотни гармоник. (Текущий рекорд достигает гармоники 5000. )

  Это не только «больше», это качественно другое: оно подталкивает нелинейную оптику к режимам, где обычное пертурбативное расширение полностью ломается, и где его нужно заменить совершенно новым набором инструментов, которые вращаются вокруг так называемого трехступенчатой ​​модели , и которые включают в себя приятный и весьма специфический новый интерфейс между классической и квантовой механикой, где траектории действительно (вроде) существуют, но в комплекснозначном времени и пространстве, благодаря наличию квантового туннелирования .

• Это также помогло продвинуть изучение взаимодействия света и материи за пределы того же предела возмущения, предоставив нам инструменты для извлечения электронов из молекул и очень точного управления ими, что позволило создать такие инструменты, как, например, лазерная дифракция электронов , который можно использовать для изображения формы молекул, когда они подвергаются изгибу и другим вибрациям.

• CPA также поддерживает несколько прорывных измерений, которые уже упоминались ранее на этом сайте, включая наблюдение зависящей от времени формы волны светового импульса , которое само осуществляется с использованием излучения гармоник высокого порядка; наблюдение колебаний заряда при переводе атомов в возбужденное состояние , опять же с использованием ГВГ; или выполнение электронной голографии с атомной мишени с использованием электронов, вытянутых из того же атома.

• Конечно, вся крутая КЭД с лазерным приводом в верхней части второй диаграммы: если ваш лазер достаточно силен, чтобы, если вы выпустите электрон в фокус, кинетическая энергия его колебаний превысит$m_e c^2$, тогда вы можете начать создавать такие вещи, как создание пар с помощью лазера, и все виды забавных вещей. Что-то из этого уже на столе, что-то в достижимых планах на будущее, и все это стало возможным благодаря CPA.

• CPA также чрезвычайно полезен для подачи строго контролируемых всплесков мощности к материалам. Это чрезвычайно полезно, например, в лазерной микрообработке , где оно обычно используется, например, при использовании коротких лазерных импульсов для травления волноводов в диэлектриках, которые затем чрезвычайно полезны для квантовых вычислений на основе чипов и обработки квантовой информации.

• Точно так же способность подавать четко контролируемые импульсы мощности чрезвычайно полезна в лазерной микрохирургии, и существует несколько типов хирургии глаза, в которых используются исключительно импульсы CPA для обеспечения резких «ударов» мощности, которые обеспечивают более чистые разрезы.

• В гораздо большем масштабе, когда вы действительно увеличиваете мощность до максимума, CPA является жизненно важным компонентом ускорения лазерного кильватерного поля , которое использует ионизированный карман, оставленный интенсивным лазерным импульсом, когда он проходит через газ, чтобы ускорить электроны до энергии. в противном случае потребовался бы чрезвычайно большой ускоритель частиц, но теперь они доступны с использованием гораздо более скромной настольной лазерной системы.

дальнейшее чтение

Некоторые дополнительные ресурсы для дальнейшего чтения:

• Научная основа Нобелевской премии и популярные информационные документы представляют собой превосходное чтение, и люди не обращаются к этим источникам достаточно близко. Иди проверь их!

• Оригинальная статья: Сжатие усиленных чирпированных оптических импульсов. Д. Стрикленд и Г. Муру. Связь с оптикой. 55 , 447 (1985) .

• Для преодоления каких ограничений по мощности был разработан ЛЧМ-радар? , мой предыдущий вопрос о подобных радиолокационных технологиях, которые предшествовали CPA.

• Это хороший учебник по U Мичиган .

В качестве дополнения к превосходному обзору @EmilioPisanty я хотел бы упомянуть еще одно применение CPA-лазеров, которое может быть упущено из виду с точки зрения теоретика:

Сверхбыстрая спектроскопия

Иногда достаточно нелинейных процессов более низкого порядка, таких как генерация второй гармоники; вам просто нужно, чтобы они были выполнены эффективно для практических целей.

Лазеры на основе усилителей чирпированных импульсов, которые имеют импульсы с энергией ~ 5 мДж и длительностью ~ 30 фс, являются основой всех, кроме простейших, сверхбыстрых методов спектроскопии накачки-зондирования. Это связано с тем, что такие импульсы допускают эффективные нелинейности низкого порядка, такие как генерация суммарной частоты, оптическое параметрическое усиление и т. д., что значительно расширило пространство параметров экспериментов такого типа. Люди умны, и когда им дают более чем достаточную мощность лазера, они придумывают все более сложные уловки, чтобы докопаться до истины.

Не вдаваясь в обзор тысяч результатов сверхбыстрых спектроскопических исследований, достаточно сказать, что человечество знает гораздо больше о том, как мир работает в пикосекундных и субпикосекундных масштабах времени (в таких несопоставимых областях, как физика конденсированного состояния и квантовая биология). благодаря лазерам на основе CPA.