Ultrarask laser for attosekundvitenskap

Ultrarask laserfor attosekundvitenskap
For tiden oppnås attosekundpulser hovedsakelig gjennom høyordens harmonisk generering (HHG) drevet av sterke felt. Essensen av genereringen kan forstås som at elektroner ioniseres, akselereres og rekombineres av et sterkt laserelektrisk felt for å frigjøre energi, og dermed sende ut attosekund XUV-pulser.
Derfor er attosekundutgangen ekstremt følsom for pulsbredden, energien, bølgelengden og repetisjonsfrekvensen tilkjørelaser(Ultrahurtig laser): kortere pulsbredde er gunstig for å isolere attosekundpulser, høyere energi forbedrer ionisering og effektivitet, lengre bølgelengde øker grenseenergien, men reduserer konverteringseffektiviteten betydelig, og høyere repetisjonsfrekvens forbedrer signal-til-støy-forholdet, men er begrenset av enkeltpulsenergi. Ulike applikasjoner (som elektronmikroskopi, røntgenabsorpsjonsspektroskopi, koinsidenstelling, etc.) har ulik vektlegging av attosekundpulsindeksen, noe som stiller differensierte og omfattende krav til drivende lasere. Å forbedre ytelsen til drivende lasere er avgjørende for bruk i attosekundvitenskap.

Fire kjerneteknologiske ruter for å forbedre ytelsen til drivlasere (ultrasnabb laser)
1. Høyere energi: Utviklet for å overvinne den lave konverteringseffektiviteten til HHG og oppnå attosekundpulser med høy gjennomstrømning. Den teknologiske utviklingen har gått fra tradisjonell chirped pulse amplification (CPA) til den optiske parametriske forsterkningsfamilien, inkludert optisk parametrisk chirped pulse amplification (OPCPA), dobbel chirped OPA (DC-OPA), frekvensdomene OPA (FOPA) og kvasifasematching OPCPA (QPCPA). Videre kombineres koherent strålesyntese (CBC) og pulsdelingsforsterknings (DPA) synteseteknikker for å overvinne de fysiske begrensningene til enkeltkanalforsterkere, som termiske effekter og ikke-lineær skade, og oppnå energiutgang på Joule-nivå.
2. Kortere pulsbredde: Utviklet for å generere isolerte attosekundpulser som kan brukes til å analysere elektronisk dynamikk, noe som krever få eller til og med subperiodiske drivpulser og stabil bærebølgeomhyllingsfase (CEP). De viktigste teknologiene inkluderer bruk av ikke-lineære etterkompresjonsteknikker som hulkjernefiber (HCF), multitynnfilm (MPSC) og flerkanals hulrom (MPC) for å komprimere pulsbredden til ekstremt korte lengder. CEP-stabilitet måles ved hjelp av et f-2f interferometer og oppnås gjennom aktiv tilbakekobling/forward-feedback (som AOFS, AOPDF) eller passive heloptiske selvstabiliseringsmekanismer basert på frekvensdifferanseprosesser.
3. Lengre bølgelengde: Utviklet for å skyve attosekundfotonenergi til «vannvindu»-båndet for biomolekylavbildning. De tre viktigste teknologiske veiene er:
Optisk parametrisk amplifisering (OPA) og dens kaskade: Det er hovedløsningen i bølgelengdeområdet 1–5 μm, ved bruk av krystaller som BiBO₂ og MgO: LN; >Krystaller som ZGP og LiGaS₂ er nødvendige for bølgelengdebåndet på 5 μm.
Differensialfrekvensgenerering (DFG) og intrapulsdifferensialfrekvens (IPDFG): kan gi frøkilder passiv CEP-stabilitet.
Direkte laserteknologi, som Cr:ZnS/Se-overgangsmetalldopede kalkogenidlasere, er kjent som «mellominfrarød titansafir» og har fordelene med kompakt struktur og høy effektivitet.
4. Høyere repetisjonsfrekvens: sikter mot å forbedre signal-til-støy-forholdet og datainnsamlingseffektiviteten, og adressere begrensningene av romladningseffekter. To hovedveier:
Resonansforbedret kavitetsteknologi: bruk av høypresisjonsresonanskaviteter for å forbedre toppeffekten til repetitive frekvenspulser på megahertz-nivå for å drive HHG, har blitt brukt innen felt som XUV-frekvenskammer, men det å generere isolerte attosekundpulser byr fortsatt på utfordringer.
Høy repetisjonsfrekvens oghøyeffektslaserdirektedrift, inkludert OPCPA, fiber-CPA kombinert med ikke-lineær etterkomprimering og tynnfilmoscillator, har oppnådd isolert attosekundpulsgenerering med en repetisjonsfrekvens på 100 kHz.