ليزر فائق السرعة لعلوم الأتوثانية

ليزر فائق السرعةلعلم الأتوثانية
تُحصل نبضات الأتوثانية حاليًا بشكل رئيسي من خلال توليد التوافقيات العالية (HHG) باستخدام مجالات قوية. ويمكن فهم جوهر توليدها على أنه تأين الإلكترونات وتسريعها وإعادة تركيبها بواسطة مجال كهربائي ليزري قوي لإطلاق الطاقة، وبالتالي انبعاث نبضات الأشعة فوق البنفسجية الشديدة (XUV) ذات زمن الأتوثانية.
لذلك، فإن خرج الأتوثانية حساس للغاية لعرض النبضة، والطاقة، والطول الموجي، ومعدل التكرار.ليزر القيادة(الليزر فائق السرعة): يُعدّ عرض النبضة الأقصر مفيدًا لعزل نبضات الأتوثانية، بينما تُحسّن الطاقة الأعلى التأين والكفاءة، ويرفع الطول الموجي الأطول طاقة القطع ولكنه يُقلّل كفاءة التحويل بشكل ملحوظ، ويُحسّن معدل التكرار الأعلى نسبة الإشارة إلى الضوضاء ولكنه محدود بطاقة النبضة الواحدة. تُركّز التطبيقات المختلفة (مثل المجهر الإلكتروني، وقياس طيف امتصاص الأشعة السينية، وعدّ التزامن، وما إلى ذلك) على مؤشر نبضة الأتوثانية بشكل مختلف، مما يفرض متطلبات مُتباينة وشاملة لتشغيل الليزر. يُعدّ تحسين أداء تشغيل الليزر أمرًا بالغ الأهمية لاستخدامه في علم الأتوثانية.

أربعة مسارات تكنولوجية أساسية لتحسين أداء الليزر المحرك (الليزر فائق السرعة)
1. طاقة أعلى: صُممت هذه التقنية للتغلب على انخفاض كفاءة تحويل الإشارات في توليد التوافقيات العالية (HHG) والحصول على نبضات أتوثانية عالية الإنتاجية. وقد شهد التطور التكنولوجي تحولًا من تضخيم النبضات المُعدَّلة التردد (CPA) التقليدي إلى عائلة التضخيم البارامتري البصري، بما في ذلك تضخيم النبضات المُعدَّلة التردد البارامتري البصري (OPCPA)، وتضخيم النبضات المُعدَّلة التردد المزدوج (DC-OPA)، وتضخيم النبضات المُعدَّلة التردد في المجال الترددي (FOPA)، وتضخيم النبضات المُعدَّلة التردد البارامتري البصري شبه المطابق للطور (QPCPA). كما تم دمج تقنيات توليف الحزمة المتماسكة (CBC) وتوليف تضخيم تقسيم النبضات (DPA) للتغلب على القيود الفيزيائية لمضخمات القناة الواحدة، مثل التأثيرات الحرارية والتلف غير الخطي، وتحقيق خرج طاقة بمستوى الجول.
٢. عرض نبضة أقصر: صُممت هذه التقنية لتوليد نبضات معزولة من فئة الأتوثانية، والتي يمكن استخدامها لتحليل الديناميكيات الإلكترونية، وتتطلب عددًا قليلًا من نبضات القيادة، أو حتى نبضات دورية فرعية، بالإضافة إلى طور غلاف حامل مستقر. تشمل التقنيات الرئيسية استخدام تقنيات ضغط لاحقة غير خطية، مثل الألياف ذات النواة المجوفة (HCF) والأغشية الرقيقة المتعددة (MPSC) والتجويف متعدد القنوات (MPC)، لضغط عرض النبضة إلى أطوال قصيرة للغاية. يُقاس استقرار طور غلاف الحامل باستخدام مقياس تداخل f-2f، ويتحقق ذلك من خلال التغذية الراجعة/التغذية الأمامية النشطة (مثل AOFS وAOPDF) أو آليات التثبيت الذاتي الضوئية السلبية القائمة على عمليات فرق التردد.
3. طول موجي أطول: مصمم لدفع طاقة الفوتون الأتوثانية إلى نطاق "نافذة الماء" لتصوير الجزيئات الحيوية. المسارات التكنولوجية الرئيسية الثلاثة هي:
التضخيم البارامتري البصري (OPA) وتسلسله: إنه الحل السائد في نطاق الطول الموجي 1-5 ميكرومتر، باستخدام بلورات مثل BiBO و MgO: LN؛ >البلورات مثل ZGP و LiGaS ₂ مطلوبة لنطاق الطول الموجي 5 ميكرومتر.
توليد التردد التفاضلي (DFG) والتردد التفاضلي داخل النبضة (IPDFG): يمكن أن يوفر مصادر البذور استقرار CEP السلبي.
تُعرف تقنية الليزر المباشر، مثل ليزرات الكالكوجينيد المطعمة بالمعادن الانتقالية Cr: ZnS/Se، باسم "الياقوت التيتانيوم في نطاق الأشعة تحت الحمراء المتوسطة" ولها مزايا الهيكل المدمج والكفاءة العالية.
4. معدل تكرار أعلى: يهدف إلى تحسين نسبة الإشارة إلى الضوضاء وكفاءة جمع البيانات، ومعالجة قيود تأثيرات الشحنة الفضائية. مساران رئيسيان:
تقنية تجويف الرنين المعزز: استخدام تجاويف رنين عالية الدقة لتعزيز ذروة الطاقة لنبضات التردد المتكرر على مستوى الميغاهرتز لتشغيل توليد التوافقيات العالية، وقد تم تطبيقها في مجالات مثل أمشاط تردد الأشعة فوق البنفسجية القصوى، ولكن توليد نبضات الأتوثانية المعزولة لا يزال يمثل تحديات.
معدل تكرار عالٍ وليزر عالي الطاقةلقد حقق المحرك المباشر، بما في ذلك OPCPA، وCPA الألياف المدمجة مع الضغط اللاحق غير الخطي، ومذبذب الأغشية الرقيقة، توليد نبضات أتوثانية معزولة بمعدل تكرار 100 كيلو هرتز.