เลเซอร์ความเร็วสูงพิเศษสำหรับวิทยาศาสตร์ระดับแอตโตวินาที

เลเซอร์ความเร็วสูงพิเศษสำหรับวิทยาศาสตร์ระดับอะตอมวินาที
ในปัจจุบัน พัลส์แอตโตวินาทีส่วนใหญ่ได้มาจากการสร้างฮาร์มอนิกส์ลำดับสูง (HHG) โดยใช้สนามไฟฟ้าแรงสูง หลักการพื้นฐานของการสร้างพัลส์เหล่านี้สามารถเข้าใจได้ว่า อิเล็กตรอนถูกทำให้เป็นไอออน เร่งความเร็ว และรวมตัวกันใหม่โดยสนามไฟฟ้าเลเซอร์แรงสูงเพื่อปลดปล่อยพลังงาน จึงทำให้เกิดการปล่อยพัลส์ XUV แอตโตวินาทีออกมา
ดังนั้น เอาต์พุตระดับแอตโตวินาทีจึงมีความไวอย่างยิ่งต่อความกว้างของพัลส์ พลังงาน ความยาวคลื่น และอัตราการทำซ้ำของพัลส์เลเซอร์ขับเคลื่อน(เลเซอร์ความเร็วสูงพิเศษ): ความกว้างของพัลส์ที่สั้นลงเป็นประโยชน์สำหรับการแยกพัลส์ระดับแอตโตวินาที พลังงานที่สูงขึ้นช่วยปรับปรุงการแตกตัวเป็นไอออนและประสิทธิภาพ ความยาวคลื่นที่ยาวขึ้นจะเพิ่มพลังงานตัด แต่ลดประสิทธิภาพการแปลงลงอย่างมาก และอัตราการทำซ้ำที่สูงขึ้นช่วยปรับปรุงอัตราส่วนสัญญาณต่อสัญญาณรบกวน แต่ถูกจำกัดด้วยพลังงานของพัลส์เดี่ยว การใช้งานที่แตกต่างกัน (เช่น กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอน สเปกโทรสโกปีการดูดกลืนรังสีเอกซ์ การนับความบังเอิญ ฯลฯ) มีจุดเน้นที่แตกต่างกันในดัชนีพัลส์ระดับแอตโตวินาที ซึ่งทำให้เกิดข้อกำหนดที่แตกต่างและครอบคลุมสำหรับการขับเคลื่อนเลเซอร์ การปรับปรุงประสิทธิภาพของเลเซอร์ขับเคลื่อนมีความสำคัญอย่างยิ่งสำหรับการใช้งานในวิทยาศาสตร์ระดับแอตโตวินาที

สี่แนวทางเทคโนโลยีหลักเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพของเลเซอร์ขับเคลื่อน (เลเซอร์ความเร็วสูงพิเศษ)
1. พลังงานสูงขึ้น: ออกแบบมาเพื่อเอาชนะประสิทธิภาพการแปลงต่ำของ HHG และเพื่อให้ได้พัลส์แอตโตวินาทีที่มีปริมาณมาก วิวัฒนาการทางเทคโนโลยีได้เปลี่ยนจากการขยายพัลส์แบบชิป (CPA) แบบดั้งเดิม ไปสู่ตระกูลการขยายแบบพาราเมตริกเชิงแสง ซึ่งรวมถึงการขยายพัลส์แบบชิปพาราเมตริกเชิงแสง (OPCPA), OPA แบบชิปคู่ (DC-OPA), OPA ในโดเมนความถี่ (FOPA) และ OPCPA แบบจับคู่เฟสเสมือน (QPCPA) นอกจากนี้ยังรวมเทคนิคการสังเคราะห์ลำแสงแบบโคherent (CBC) และเทคนิคการสังเคราะห์การขยายแบบแยกพัลส์ (DPA) เพื่อเอาชนะข้อจำกัดทางกายภาพของเครื่องขยายสัญญาณแบบช่องสัญญาณเดียว เช่น ผลกระทบจากความร้อนและความเสียหายแบบไม่เชิงเส้น และเพื่อให้ได้พลังงานเอาต์พุตระดับจูล
2. ความกว้างพัลส์ที่สั้นลง: ออกแบบมาเพื่อสร้างพัลส์แอตโตวินาทีแบบแยกเดี่ยวที่สามารถนำมาใช้ในการวิเคราะห์พลวัตทางอิเล็กทรอนิกส์ โดยต้องการพัลส์ขับเคลื่อนเพียงไม่กี่พัลส์หรือแม้แต่พัลส์ย่อย และเฟสซองคลื่นพาหะ (CEP) ที่เสถียร เทคโนโลยีหลักๆ ได้แก่ การใช้เทคนิคการบีบอัดหลังแบบไม่เชิงเส้น เช่น เส้นใยกลวง (HCF), ฟิล์มบางหลายชั้น (MPSC) และโพรงหลายช่องสัญญาณ (MPC) เพื่อบีบอัดความกว้างของพัลส์ให้สั้นมาก ความเสถียรของ CEP วัดได้โดยใช้อินเตอร์เฟอโรเมตรแบบ f-2f และบรรลุผลได้ผ่านกลไกการป้อนกลับ/ป้อนไปข้างหน้าแบบแอคทีฟ (เช่น AOFS, AOPDF) หรือกลไกการรักษาเสถียรภาพด้วยตนเองแบบออปติคอลทั้งหมดแบบพาสซีฟโดยอาศัยกระบวนการความแตกต่างของความถี่
3. ความยาวคลื่นที่ยาวขึ้น: ออกแบบมาเพื่อผลักดันพลังงานโฟตอนแอตโตวินาทีไปสู่ช่วง "หน้าต่างน้ำ" สำหรับการถ่ายภาพโมเลกุลชีวภาพ เส้นทางเทคโนโลยีหลักสามเส้นทาง ได้แก่:
การขยายสัญญาณพาราเมตริกเชิงแสง (OPA) และลำดับขั้นของมัน: เป็นวิธีการหลักในช่วงความยาวคลื่น 1-5 ไมโครเมตร โดยใช้ผลึก เช่น BiBO และ MgO: LN; >ต้องใช้ผลึก เช่น ZGP และ LiGaS₂ สำหรับช่วงความยาวคลื่น 5 ไมโครเมตร
การสร้างความถี่เชิงอนุพันธ์ (DFG) และความถี่เชิงอนุพันธ์ภายในพัลส์ (IPDFG): สามารถให้แหล่งกำเนิดสัญญาณเริ่มต้นที่มีเสถียรภาพ CEP แบบพาสซีฟได้
เทคโนโลยีเลเซอร์โดยตรง เช่น เลเซอร์แคลโคเจนิกที่เจือด้วยโลหะทรานซิชัน Cr: ZnS/Se เป็นที่รู้จักกันในชื่อ "ไทเทเนียมแซฟไฟร์อินฟราเรดช่วงกลาง" และมีข้อดีคือโครงสร้างกะทัดรัดและประสิทธิภาพสูง
4. อัตราการทำซ้ำที่สูงขึ้น: มุ่งเน้นการปรับปรุงอัตราส่วนสัญญาณต่อสัญญาณรบกวนและประสิทธิภาพการรับข้อมูล ตลอดจนแก้ไขข้อจำกัดของผลกระทบจากประจุไฟฟ้าในอวกาศ มีสองแนวทางหลัก:
เทคโนโลยีโพรงเรโซแนนซ์เสริมประสิทธิภาพ: การใช้โพรงเรโซแนนซ์ที่มีความแม่นยำสูงเพื่อเพิ่มกำลังสูงสุดของพัลส์ความถี่ซ้ำระดับเมกะเฮิร์ตซ์เพื่อขับเคลื่อนการสร้างฮาร์มอนิกสูง (HHG) ได้ถูกนำไปประยุกต์ใช้ในด้านต่างๆ เช่น หวีความถี่ XUV แต่การสร้างพัลส์แอตโตวินาทีแบบแยกเดี่ยวยังคงเป็นความท้าทายอยู่
อัตราการทำซ้ำสูงและเลเซอร์กำลังสูงการขับเคลื่อนโดยตรง ซึ่งรวมถึง OPCPA, CPA แบบไฟเบอร์ที่รวมกับการบีบอัดหลังแบบไม่เชิงเส้น และออสซิลเลเตอร์ฟิล์มบาง ได้สร้างพัลส์แอตโตวินาทีแบบแยกเดี่ยวที่อัตราการทำซ้ำ 100 kHz