לייזר אולטרה מהיר למדע אטו-שניות

לייזר אולטרה מהירלמדע אטו-סקונדה
כיום, פולסים אטו-שניים מתקבלים בעיקר באמצעות יצירת הרמוניות מסדר גבוה (HHG) המונעת על ידי שדות חזקים. את מהות יצירתם ניתן להבין כאלקטרונים המיונן, מואצים ומשולבים מחדש על ידי שדה חשמלי לייזר חזק כדי לשחרר אנרגיה, ובכך לפלוט פולסים אטו-שניים XUV.
לכן, פלט אטו-שניות רגיש ביותר לרוחב הפולס, לאנרגיה, לאורך הגל ולקצב החזרה שללייזר נהיגה(לייזר אולטרה מהיר): רוחב פולס קצר יותר מועיל לבידוד פולסים של אטו-שניות, אנרגיה גבוהה יותר משפרת את היינון והיעילות, אורך גל ארוך יותר מעלה את אנרגיית החיתוך אך מפחיתה משמעותית את יעילות ההמרה, וקצב חזרות גבוה יותר משפר את יחס האות לרעש אך מוגבל על ידי אנרגיית פולס בודד. יישומים שונים (כגון מיקרוסקופ אלקטרונים, ספקטרוסקופיית בליעת קרני רנטגן, ספירת צירופי מקרים וכו') שמים דגשים שונים על מדד פולס האטו-שניות, מה שמציב דרישות מובחנות ומקיפות להנעת לייזרים. שיפור ביצועי הלייזרים ההנעה הוא קריטי לשימוש במדע האטו-שניות.

ארבעה מסלולים טכנולוגיים מרכזיים לשיפור ביצועי לייזרים מניעים (לייזר אולטרה מהיר)
1. אנרגיה גבוהה יותר: נועד להתגבר על יעילות ההמרה הנמוכה של HHG ולהשיג פולסים אטו-שניים בעלי תפוקה גבוהה. האבולוציה הטכנולוגית עברה מהגברת פולסים מצייצים מסורתית (CPA) למשפחת הגברות פרמטריות אופטיות, כולל הגברת פולסים מצייצים פרמטרית אופטית (OPCPA), OPA מצייצים כפולים (DC-OPA), OPA בתחום התדרים (FOPA) ו-OPCPA התאמת פאזה קוואזי (QPCPA). שילוב נוסף של טכניקות סינתזה של סינתזת קרן קוהרנטית (CBC) והגברת פיצול פולסים (DPA) כדי להתגבר על המגבלות הפיזיות של מגברי ערוץ יחיד, כגון השפעות תרמיות ונזק לא ליניארי, ולהשיג תפוקת אנרגיה ברמת ג'אול.
2. רוחב פולס קצר יותר: נועד לייצר פולסים אטו-שניים מבודדים שניתן להשתמש בהם לניתוח דינמיקה אלקטרונית, הדורשים מעט פולסים או אפילו תת-מחזוריים של הנעה ופאזה יציבה של מעטפת נושא (CEP). הטכנולוגיות העיקריות כוללות שימוש בטכניקות דחיסה לא לינאריות לאחר ההפעלה כגון סיב ליבה חלול (HCF), סרט דק רב (MPSC) וחלל רב-ערוצי (MPC) כדי לדחוס את רוחב הפולס לאורכים קצרים ביותר. יציבות CEP נמדדת באמצעות אינטרפרומטר f-2f ומושגת באמצעות משוב/הזנה קדימה אקטיבית (כגון AOFS, AOPDF) או מנגנוני ייצוב עצמי אופטיים לחלוטין פסיביים המבוססים על תהליכי הפרשי תדרים.
3. אורך גל ארוך יותר: נועד לדחוף את אנרגיית הפוטון האטו-שנייה לפס "חלון המים" לצורך דימות ביו-מולקולות. שלושת המסלולים הטכנולוגיים העיקריים הם:
הגברה פרמטרית אופטית (OPA) והקסדה שלה: זהו הפתרון המרכזי בטווח אורכי הגל של 1-5 מיקרומטר, תוך שימוש בגבישים כגון BiBO3 ו-MgO: LN; > גבישים כגון ZGP ו-LiGaS2 נדרשים עבור פס אורכי הגל של 5 מיקרומטר.
יצירת תדרים דיפרנציאליים (DFG) ותדר דיפרנציאלי תוך-פולסי (IPDFG): יכולים לספק למקורות זרעים יציבות CEP פסיבית.
טכנולוגיית לייזר ישיר, כגון לייזרי כלקוגניד מסוממים במתכת מעבר Cr:ZnS/Se, ידועה בשם "ספיר טיטניום אינפרא אדום בינוני" ויש לה יתרונות של מבנה קומפקטי ויעילות גבוהה.
4. קצב חזרות גבוה יותר: שמטרתו לשפר את יחס אות לרעש ואת יעילות רכישת הנתונים, ולטפל במגבלות של אפקטי מטען החלל. שני מסלולים עיקריים:
טכנולוגיית חלל תהודה משופרת: שימוש בחללי תהודה מדויקים כדי לשפר את עוצמת השיא של פולסים בתדר חוזר ברמת מגה-הרץ להנעת HHG, יושמה בתחומים כמו מסרקי תדר XUV, אך יצירת פולסים אטו-שניים מבודדים עדיין מציבה אתגרים.
שיעור חזרות גבוה ולייזר בעל עוצמה גבוהההנעה ישירה, כולל OPCPA, CPA של סיבים בשילוב עם דחיסה לאחר דחיסה לא ליניארית, ומתנד סרט דק, השיגה יצירת פולסים אטו-שניים מבודדים בקצב חזרות של 100 קילו-הרץ.