Das Problem

Laser machen alle möglichen coolen Dinge in der Forschung und in Anwendungen, und es gibt viele gute Gründe dafür, einschließlich ihrer Kohärenz, Frequenzstabilität und Steuerbarkeit, aber für einige Anwendungen zählt nur die reine Leistung.

Als einfaches Beispiel sei seit langem verstanden, dass, wenn die Lichtintensität hoch genug wird, die Annahme der Linearität, die einem Großteil der klassischen Optik zugrunde liegt, zusammenbrechen würde und nichtlineare optische Phänomene wie die Erzeugung der zweiten Harmonischen verfügbar würden und Licht erhalten würden alle möglichen interessanten Dinge zu tun. Bei Verwendung inkohärenter Lichtquellen sind die erforderlichen Intensitäten unerschwinglich hoch, aber nach der Erfindung des Lasers dauerte es nur ein Jahr bis zur ersten Demonstration der Erzeugung zweiter Harmonischer und wenige Jahre danach bis zur Erzeugung dritter Harmonischer , einer dritten Harmonischen. um nichtlinearen Prozess, der noch höhere Intensitäten erfordert.

Anders ausgedrückt, Leistung ist wichtig, und je mehr Intensität Sie zur Verfügung haben, desto breiter wird die Bandbreite nichtlinearer optischer Phänomene für die Erforschung sein. Aus diesem Grund konzentrierte sich ein großer Teil der Laserwissenschaft auf die Erhöhung der verfügbaren Intensitäten, wobei im Allgemeinen gepulste Laser verwendet wurden, um dies zu erreichen, und mit bemerkenswerten Meilensteinen wie Q-Switching und Mode-Locking .

Wer jedoch versucht, mit einem größeren Laserverstärker und immer mehr Leistung voranzutreiben, ist im Grunde früher oder später dazu bestimmt, ziemlich schroff in Form einer katastrophalen Selbstfokussierung gegen eine Mauer zu stoßen . Dies ist eine Folge eines weiteren nichtlinearen Effekts, des Kerr-Effekts , der innerhalb des Lasermediums selbst auftritt. Auf den ersten Blick sieht der Kerr-Effekt harmlos aus: Im Grunde besagt er, dass bei ausreichend hoher Intensität der Brechungsindex des Materials proportional zur Intensität leicht ansteigt:

• Die Intensität des Lichts ist in der Mitte höher, was bedeutet, dass der Brechungsindex in der Mitte höher ist.
• Mit anderen Worten, die optischen Eigenschaften des Materials sehen aus wie die einer konvexen Linse und neigen dazu, den Strahl zu fokussieren.
• Dadurch wird der Strahl tendenziell schärfer, was die Intensität in der Mitte erhöht, was den Brechungsindex in der Mitte noch weiter erhöht ...
• ... wodurch der Strahl noch stärker fokussiert wird, was zu immer höheren Intensitäten führt.

Dies bildet eine positive Rückkopplungsschleife, und wenn die anfängliche Intensität hoch genug ist, das Medium lang genug ist und es nicht genügend anfängliche Beugung gibt, um dem entgegenzuwirken, gerät es außer Kontrolle und verursacht katastrophale laserinduzierte Schäden genau das Medium, das Sie verwenden möchten, um diesen Laserstrahl zu verstärken. (Darüber hinaus kommt es vor allem in Luft häufig vor, dass der Laser an der beschädigten Stelle gebeugt wird und sich dann etwas weiter unten wieder selbst fokussiert, ein Phänomen, das als Laserfilamentation bekannt ist . Wenn Sie etwas falsch machen , dies kann einen Ausfall des Verstärkungsmediums bis hin zur Zerstörung einer ganzen Beamline propagieren.)

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Das hört sich nach einem abgefahrenen Mechanismus an, war aber sehr lange eine große Hürde. Wenn Sie die höchste verfügbare Laserintensität zu verschiedenen Zeiten seit der Erfindung des Lasers aufzeichnen, steigt sie in den sechziger Jahren schnell an, trifft dann auf eine Wand und bleibt etwa zehn bis fünfzehn Jahre lang bestehen:

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Dies stellt die Barriere der Selbstfokussierung von Kerr-Linsen dar, und zu dieser Zeit bestand die einzige Möglichkeit, sie zu überwinden, darin, einen Laser zu bauen, der physisch größer war, um die Intensität über mehr Verstärkungsmedium zu verdünnen, um zu versuchen, das Problem zu vermeiden. Bis Chirped Pulse Amplification kam, um das Problem zu lösen.

Die Lösung

Im Kern funktioniert Chirped Pulse Amplification (CPA) durch Verdünnung des Lichts, sodass es auf eine größere Gesamtleistung verstärkt werden kann, ohne eine gefährliche Intensität zu erreichen, aber es dehnt sich zeitlich aus, dh in Längsrichtung entlang des Laserpulses.

Der grundlegende Ablauf besteht aus vier Schritten:

1. Zunächst startet man mit einem kurzen Laserpuls, den man verstärken möchte

   

2. Sie dehnen ihn dann zeitlich, indem Sie Chirp in das Signal einführen: Das heißt, Sie verwenden eine Art dispersives Element wie ein Prisma oder ein Beugungsgitter, das den Impuls in alle seine Bestandteile zerlegt und zuerst die längeren Wellenlängen sendet und die kürzeren Wellenlängen dauern. Dies wird natürlich die Intensität des Pulses verringern.

   

   (Warum „Zwitschern“? Denn das Aufwärts- (oder Abwärts-)schwingen von Frequenzen über den Puls ist genau das, was Vogelzwitschern ihren charakteristischen Klang verleiht.)

3. Sie leiten diesen Puls mit geringerer Intensität dann durch Ihren Laserverstärker, was sicher ist, da die momentane Intensität unter der selbstfokussierenden Schadensschwelle Ihres Verstärkungsmediums liegt.

   

4. Schließlich leiten Sie Ihren Puls durch einen umgekehrten Satz von Gittern, die die relative Verzögerung zwischen den längeren und kürzeren Wellenlängen Ihres Pulses rückgängig machen und sie alle zu einem einzigen Puls mit derselben Form und Länge wie Ihr ursprünglicher Puls zusammenfügen. .

   

   ... aber mit der viel höheren verstärkten Leistung und mit Intensitäten, die mit direkter Verstärkung des Impulses nicht sicher zu erreichen wären.

Das Kernmerkmal, das die Methode zum Ticken bringt, ist die Tatsache, dass die Streckung des Impulses, wenn sie richtig durchgeführt wird, die Kohärenz zwischen den verschiedenen Frequenzkomponenten vollständig erhält, was bedeutet, dass sie vollständig reversibel ist, und wenn Sie einen aufhebenden Zwitschern hinzufügen, wird der Impuls geht wieder in seine Ausgangsform zurück.

Darüber hinaus beruht das Verfahren auf der Tatsache, dass die stimulierte Emission die Photonen, die sie verstärkt, auf kohärente Weise vollständig dupliziert, was bedeutet, dass die durch die Verstärkung eingeführten Photonen die gleichen Frequenz- und Phaseneigenschaften wie der Anfangsimpuls haben , was bedeutet, dass, wenn Sie den Chirp aus dem verstärkten Impuls entfernen, auch die hinzugefügten Photonen zu einer engen Hülle komprimiert werden.

Anwendungen

Wie ich eingangs sagte, ist CPA besonders nützlich an Orten, an denen rohe Laserleistung und insbesondere konzentrierte Laserleistung von größter Bedeutung sind. Hier sind einige Beispiele:

• Auf die gleiche Weise, wie uns Laser nichtlineare Optiken bescherten, war CPA ein integraler Bestandteil der Entwicklung der Erzeugung von Oberschwingungen höherer Ordnung, die die Oberschwingungen zweiter oder dritter Ordnung hinter sich gelassen haben, um problemlos Dutzende oder Hunderte von Oberschwingungen zu erzeugen. (Der aktuelle Rekord reicht bis zu harmonischen 5.000 .)

  Das ist nicht nur „mehr“, es ist qualitativ anders: Es treibt die nichtlineare Optik in Bereiche, in denen die übliche perturbative Expansion vollständig zusammenbricht und in der sie durch einen völlig neuen Satz von Werkzeugen ersetzt werden muss, die sich um das sogenannte drehen dreistufiges Modell , und die eine schöne und ganz besondere neue Schnittstelle zwischen klassischer und Quantenmechanik beinhalten, wo Trajektorien (irgendwie) existieren, aber über komplexwertige Zeit und Raum, aufgrund des Vorhandenseins von Quantentunneln .

• Es hat auch dazu beigetragen, die Untersuchung der Licht-Materie-Wechselwirkung über dieselbe Störungsgrenze hinaus voranzutreiben, indem es uns die Werkzeuge an die Hand gab, um Elektronen aus Molekülen zu extrahieren und sie auf sehr präzise Weise zu kontrollieren, wodurch die Schaffung von Werkzeugen wie z . B. der lasergesteuerten Elektronenbeugung ermöglicht wurde. die verwendet werden können, um die Formen von Molekülen abzubilden, wenn sie Biegungen und anderen Vibrationen ausgesetzt sind.

• CPA untermauert auch mehrere bahnbrechende Messungen, die zuvor auf dieser Website angesprochen wurden, einschließlich der Beobachtung der zeitabhängigen Wellenform eines Lichtimpulses , die selbst unter Verwendung von harmonischer Strahlung höherer Ordnung durchgeführt wird; die Beobachtung von Ladungsoszillationen, wenn Atome in angeregte Zustände versetzt werden, wiederum unter Verwendung von HHG; oder Durchführen einer Elektronenholographie von einem atomaren Target unter Verwendung von Elektronen, die aus demselben Atom gezogen werden.

• Natürlich all das coole lasergetriebene QED-Zeug oben in diesem zweiten Diagramm: Wenn Ihr Laser stark genug ist, dass die kinetische Energie seiner Schwingungen überschritten wird, wenn Sie ein Elektron in den Fokus freisetzen$m_e c^2$, dann können Sie anfangen, Dinge wie die lasergesteuerte Paarerstellung und alle möglichen lustigen Dinge zu haben. Einiges davon liegt bereits auf dem Tisch, einiges davon ist in realisierbaren Plänen für die Zukunft, und alles wird durch CPA ermöglicht.

• CPA ist auch äußerst nützlich bei der Abgabe scharf kontrollierter Stromstöße an Materialien. Dies ist zum Beispiel in der Lasermikrobearbeitung äußerst nützlich , wo es routinemäßig verwendet wird, indem beispielsweise kurze Laserpulse verwendet werden, um Wellenleiter in Dielektrika zu ätzen, die dann für chipbasierte Quantencomputer und Quanteninformationsverarbeitung äußerst nützlich sind.

• In ähnlicher Weise ist die Fähigkeit, scharf gesteuerte Leistungsstöße abzugeben, in der Lasermikrochirurgie äußerst nützlich, und es gibt mehrere Arten von Augenoperationen, die ausschließlich CPA-Impulse verwenden, um scharfe Leistungsstöße bereitzustellen, die sauberere Schnitte ausführen.

• In einem viel größeren Maßstab, wenn Sie die Leistung wirklich auf das Maximum aufdrehen, ist CPA eine wichtige Komponente der Laser-Wakefield-Beschleunigung , die die ionisierte Tasche nutzt, die von einem intensiven Laserimpuls hinterlassen wird, wenn er sich durch ein Gas bewegt, um Elektronen auf Energien zu beschleunigen die sonst einen extrem großen Teilchenbeschleuniger erfordern würden, die jetzt aber mit einem viel bescheideneren Tischlasersystem verfügbar sind.

Weiterlesen

Einige zusätzliche Ressourcen zum Weiterlesen:

• Der wissenschaftliche Hintergrund des Nobelpreises und die populären Informationsdokumente sind eine hervorragende Lektüre, und die Leute schauen sich diese Quellen nicht annähernd genug an. Schau sie dir an!

• Das Originalpapier: Kompression verstärkter gechirpter optischer Impulse. D. Strickland und G. Mourou. Optik Comms. 55 , 447 (1985) .

• Welche Leistungsbeschränkungen sollte das Chirp-Radar überwinden? , eine frühere Frage von mir zu ähnlichen Radartechnologien, die älter als CPA waren.

• Dies ist ein nettes Tutorial zu U Michigan .

Als Ergänzung zu @EmilioPisantys hervorragendem Review möchte ich nur noch eine weitere Anwendung von CPA-Lasern erwähnen, die aus Sicht eines Theoretikers vielleicht übersehen wird:

Ultraschnelle Spektroskopie

Manchmal reichen nichtlineare Prozesse niedrigerer Ordnung wie die Erzeugung der zweiten Harmonischen aus; Sie müssen sie nur für praktische Zwecke effizient ausführen.

Laser, die auf Chirp-Puls-Verstärkern basieren, die Pulse mit einer Energie von ~5 mJ und einer Dauer von ~30 fs haben, sind das Rückgrat aller außer den einfachsten ultraschnellen Pump-Probe-Spektroskopietechniken. Dies liegt daran, dass solche Pulse effiziente Nichtlinearitäten niedriger Ordnung ermöglichen, wie z. B. Summenfrequenzerzeugung, optische parametrische Verstärkung usw., die den Parameterraum dieser Art von Experimenten stark erweitert haben. Menschen sind schlau, und wenn ihnen mehr als genug Laserleistung zur Verfügung steht, kommen sie auf immer komplexere Tricks, um die Wahrheit herauszufinden.

Ohne einen Überblick über Tausende ultraschneller spektroskopischer Forschungsergebnisse zu geben, sei gesagt, dass die Menschheit viel mehr darüber weiß, wie die Welt auf Pikosekunden- und Sub-Pikosekunden-Zeitskalen funktioniert (in so unterschiedlichen Bereichen wie der Physik der kondensierten Materie und der Quantenbiologie). dank CPA-basierter Laser.