تکنیکی برای دستیابی به لیزرهای کلاس اگزاوات

مقدمه

اهمیت و کاربردهای لیزرهای پرقدرت برهیچ کس پوشیده نیست. در دهه‌های اخیر استفاده از لیزرهای حالت جامد فوق کوتاه بویژه با انرژی بالا در زمینه‌های ثبت فرآیندهای سریع فیزیکی و شیمیایی، بررسی و انجام فرآیندهای غیرخطی با قدرت تفکیک مکانی و زمانی بالا و نیز گستره وسیعی از کاربردهای پزشکی و صنعت، گسترش یافته و بازار بزرگی را به خود اختصاص داده‌ است. مطالعات جمع بندی شده بر روی لیزرهای با قدرت بالا را می‌توان به دو دهه تقریباً جدا از هم دسته بندی کرد. اولین مورد آن بررسی باکوس[۱] و همکارانش در سال ۱۹۹۸ بود، که فقط یک لیزر کلاس پتاوات وجود داشت و مرور بعدی روی پیشرفت‌های سریع این حوزه توسط دانسون و همکارانش حدود ۱۷ سال بعد انجام گرفت، که تقریباً پنجاه لیزر کلاس پتاوات فعال، در حال ساخت و یا در مرحله برنامه ریزی شناسایی شد. این مقالات مروری توسط کمیته جایزه نوبل فیزیک ۲۰۱۸ با عنوان “اختراعات پیشگامانه در فیزیک لیزر” ذکر شد. علاوه بر این، آکادمی ملی علوم، مهندسی و پزشکی در ایالات متحده آمریکا گزارشی را در دسامبر ۲۰۱۷ با عنوان “فرصت‌ها در لیزرهای فوق سریع: رسیدن به روشن ترین نور”  منتشر کرد، که خلاصه‌ای از وضعیت لیزرهای با قدرت بالا بود.

به دنبال نمایش اولین لیزر پالسی در سال ۱۹۶۰، جهش‌های اولیه برای دستیابی به چندین مرتبه از بزرگی در قله توان با اختراع سیستم مدولاکینگ[۲] و قفل شدگی[۳] صورت گرفت. این پیشرفت‌ها تا اواخر دهه ۱۹۸۰، با توسعه تکنیک تقویت پالس چیرپ شده[۴] (CPA) توسط استریکلند و مورو در آزمایشگاه انرژی لیزر (LLE) در دانشگاه روچستر، ایالات متحده ادامه پیدا کرد. این سیستم‌های اولیه کاملاً به تقویت کننده‌های Nd:glass یا رنگدانه‌ای[۵] متکی بودند.

برای تحقق بخشیدن به تمامی کاربردهای لیزرهای توان بالا، توسعه تقویت کننده‌هایی که بتوانند از پهنای باند گسترده پشتیبانی کنند نیز لازم بود. اگرچه لیزرهای رنگی می‌توانستند از پهنای باند بسیار بزرگی پشتیبانی کنند، عمر کوتاه و اشباع پایین آن میزان انرژی قابل استخراج را به شدت محدود می‌کرد. از طرف دیگر، هرچند لیزرهای مبتنی بر نئودیمیم می‌توانستند مقدار زیادی انرژی را تأمین کنند اما فقط از یک پهنای باند محدود پشتیبانی می‌کردند. این امر منجر به جستجوی ماده لیزر جدیدی شد که بتواند هم انرژی و هم پهنای باند مورد نیاز برای پشتیبانی از پالس‌های کوتاه توان بالا را تأمین کند. اسیلاتورهای یاقوت کبود Ti:sapphire همراه با سیستم‌های تقویت پارامتری نوری[۶](OPA) راه حلی برای این نیازها بودند. این‌ تقویت کننده‌ها در مراحل پیش تقویت سیستم‌های چند تراوات همراه با تقویت کننده‌های راد یا دیسک Nd:glass بکار گرفته شدند. آن‌ها بهره بالایی را در پهنای باند بزرگ قبل از تقویت کننده‌های بزرگتر فراهم کردند. با افزایش کیفیت و اندازه بلورهای Ti:saphaire وکریستال‌های غیرخطی، انرژی قابل استخراج از این سیستم‌ها نیز بهبود یافته است.

بنابراین به کمک تکنیک OPCPA دست یابی به لیزرهای کلاس اگزاوات امکان پذیر شد. از جمله مزایای OPCPA نسبت به دیگر تقویت کننده­ها به‌ویژه CPA یا تقویت پالس چیرپ شده، می­توان به امکان تقویت با پهنای باند بالا، ظرفیت حرارتی بسیار ناچیز (به دلیل فرآیند آنی تقویت به­روش OPA)، بالا بودن بازده تبدیل پمپ به سیگنال، ناچیز بودن اثرات غیرخطی مرتبه بالا، بالا بودن کیفیت باریکه خروجی (به­دلیل فاکتور B انتگرال کوچک) و تولید پالس­های بسیار کوتاه اشاره­کرد. در ادامه به توضیح مختصری از این تکنیک می‌پردازیم.

تئوری

در فرآیند OPCPA، که ترکیبی از دو فرآیند OPA و CPA می‌باشد، پالس خروجی از اسیلاتور وارد یک سیستم پهن کننده می‌شود. در این سیستم با ایجاد چیرپ مثبت و افزایش پهنای زمانی، پالس وارد کریستال غیرخطی شده و تقویت می‌شود. در این مرحله به‌دلیل کاهش قله شدت می‌توان بدون نگرانی از تخریب محیط فعال، بهره بالایی از تقویت را به‌دست آورد. پس از تقویت با حذف چیرپ ایجاد شده، پهنای زمانی آن را کاهش داده و پالس‌هایی فوق کوتاه با پیک توانی بالا به‌دست می‌آید. بنابراین با پهن­کردن زمانی پالس قبل از ورود به محیط بهره (تقویت پارامتری) و متراکم سازی آن پس از تقویت، از تخریب محیط بهره جلوگیری می­شود و قابلیت دست یابی به توان بالا را در پهنه وسیع طول موجی ممکن می‌سازد.

نمای کلی سیستم OPCPA

 لذا تکنیک OPCPA را می‌توان به سه فرآیند اصلی پهن کردن پالس در استرچر[۷] تقویت پالس در کریستال غیر خطی به روش پارامتری و جمع کردن پالس در کمپرسور[۸] تقسیم بندی کرد. در ادامه به توضیح مختصر هر یک از این مراحل می‌پردازیم.

سیستم پهن کننده

 استرچر سیستم‌های CPA می‌تواند یک فیبر اپتیکی، یک قطعه ماده پاشنده حجمی ‌یک استرچر توری- تلسکوپ یا هر دستگاهی که پاشندگی مثبت ایجاد می‌کند، باشد. اما عموماً برای پهن‌کردن زمانی پالس‌ها، از یک تاخیرانداز زمانی خطی مثبت، شامل یک جفت توری پراش که نسبت به سیستم‌های دیگر پاشندگی زاویه‌ای بالایی دارند و با تلسکوپ ۱/۱ از هم جدا شده است، استفاده می‌شود.

 

افزایش پهنای پالس با ورود به محیطی با پاشندگی مثبت

برای استخراج پالس‌های تقویت شده با کیفیت بالا از سیستم CPA، کنترل فاز ناشی از کمپرسور، استرچر و تقویت کننده بسیار مهم می‌باشد. کنترل و حذف ابیراهی‌ها در هنگام افزایش پهنای زمانی پالس نیز از اهمیت بالایی برخوردار است. اهمیت این مساله از آن جهت است که هر چه پهنای زمانی پالس بیشتر باشد، امکان تقویت پالس تا انرژی‌های بالاتری فراهم خواهد شد.

در میان طرح­های مختلف پهن­کردن پالس، عموماً طرح آفنر[۹] تک توری، که به پهن­کننده بدون ابیراهی نیز معروف است، برای پهن­کردن پالس‌های کمتر از fs 100 استفاده می‌شود.

محیط تقویت کننده

پس از پهن شدن، پالس وارد کریستال غیرخطی شده و فرآیند تقویت پارامتری انجام می‌شود. عملکرد این فرآیند براساس تولید فرکانس تفاضل (DFG) و برهم کنش سه موج می‌باشد. معادلات کوپل شده این برهم کنش را می‌توان به روش تحلیلی و یا عددی محاسبه کرد.

کریستال غیرخطی مناسب برای سیستم OPCPA باید چندین مشخصه را دارا باشد. داشتن ضریب غیرخطی موثر بزرگ یکی از مهم­ترین آن­ها است که وابستگی مستقیمی با بهره حاصله دارد. از طرفی کریستال به کارگرفته شده برای تقویت بازه وسیع طول­موجی باید شفافیت لازم را در ناحیه طیفی امواج برهم کنش کننده (موج سیگنال، ایدلر و پمپ) داشته باشد و پهنای باند تطابق فازی کریستال این بازه طیفی را بپوشاند. از جمله ویژگی­‌های دیگر می‌­توان به آستانه تخریب بالا، رطوبت پذیری پایین و اندازه قابل قبول اشاره کرد. این ویژگی­ها در ناحیه طول­موج مرئی و مادون قرمز نزدیک ما را به سمت کریستال­‌های گروه بورات می‌­رساند. در ناحیه مادون قرمز میانی می‌توان از کریستال‌های نیمه‌رسانا و ساختارهای بطور متناوب قطبیده استفاده کرد. KDP, DKDP, LBO, BBO و YCOB را می‌توان به‌عنوان عمومی‌ترین کریستال‌ها در سیستم‌های OPCPA دانست.

محیط بهره برای پیش تقویت کننده‌های OPCPA عموماً کریستال‌های گروه بورات می‌باشند که فاکتور غیر خطیت بالایی دارند. متعاقباً برای تقویت کننده‌های توان از کریستال‌های KDP و DKDP به‌دلیل دهانه بزرگ آن‌ها استفاده می‌شود. با این حال در پیشرفت‌های اخیر که در رشد بلور LBO وجود داشته است امکان استفاده از آن در تقویت‌های با توان بالا نیز وجود دارد.

سیستم جمع کننده

پس از تقویت پالس در محیط غیرخطی که عمدتاً شامل مراحل پیش تقویت و تقویت توان می‌باشد پالس وارد فاز بعدی یعنی کمپرس پالس و جبران پاشندگی ایجادشده در مرحله اول می‌شود.

روش‌های مختلفی برای فشرده‌سازی و یا کوتاه‌کردن پالس‌های اپتیکی وجود دارد. این روش‌ها که عموماً در ناحیه پیکو یا فمتوثانیه عملیاتی می‌شوند و در رژیم پالس‌های فوق کوتاه قرار می‌گیرند را می‌توان به دو دسته تقسیم بندی کرد:

• فشرده‌سازی خطی پالس: هنگامی‌که پالس‌ها چیرپ هستند، طول زمانی آن‌ها را می‌توان با حذف و یا حداقل با کاهش چیرپ آن کوتاه کرد؛ چیرپ را می‌توان با ارسال پالس‌ها از یک عنصر نوری با پاشندگی رنگی مناسب (جبران کننده پاشندگی ایجاد شده در پهن کننده)، مانند یک جفت توری پراش، یک جفت منشور، یک فیبر نوری، یک آینه چیرپ شده، یک توری فیبری براگ یا توری براگ حجمی چیرپ شده، حذف کرد. کوچکترین طول پالس ممکن با پهنای باند اپتیکی پالس تنظیم می‌شود.
• فشرده‌سازی غیرخطی پالس: در این روش در مرحله اول، معمولاً با یک برهم‌کنش غیرخطی مانند مدولاسیون فاز، پهنای باند اپتیکی افزایش می‌یابد. در اغلب موارد، این باعث چیرپ شدن پالس‌ها می‌شود به‌گونه‌ای که حتی بزرگتر از طول اولیه پالس می‌شوند. پس از آن، طول زمانی پالس با کمپرس خطی (مانند روش اول) بطور موثرتری حذف و یا کاهش می‌یابد.

روند رو به رشد سیستم‌های لیزری برای دست‌یابی به توان‌های بالا در نمودار زیر آورده شده است.

روند رو به رشد سیستم‌های لیزری برای دست‌یابی به توان‌های بالا

Supernova OPCPA  که توانایی تولید پالس‌هایW  ۱۰۰،  KHz 100 و MJ 1 را داراست، پر قدرت ترین لیزر فموتوثانیه در بازار به‌ شمار می‌رود که ۱۰ برابر سریع تر از لیزر‌های معمولی Ti: Sapphire است. این سامانه پالس بسیار کوتاه fs 15، طیف وسیع طول موجی ( ۴/۰ تا ۳ میکرومتر) را پوشش می‏دهد. این کوک‌پذیری طول موجی اجازه بکارگیری آزمایش‌های چندرنگی در سیستمی کارا و پایدار را می‌دهد. Supernova OPCPA  می‌تواند در تحقیقات علمی آتوثانیه، پردازش مواد و طیف سنجی فوق سریع مورد استفاده قرار گیرد. رابرت ریدل، مدیر اجرایی Classon 5 Photonics برنده بخش لیزری جایزه ارزشمند پریزم[۱۰] در سال  ۲۰۱۸ که در پروژه این سامانه لیزری فعالیت کرده است می‌گوید: “خیلی خوشحالیم که این جایزه معتبر را به دست آوردیم و به عنوان فن آور برتر لیزر، در پیشرفته ترین آزمایشگاه‌ها و مؤسسات تحقیق و توسعه سراسر جهان شناخته شدیم. این سیستم لیزری با هدف به دست آوردن بینش جدید در فرآیندها، بلوک‌های ساختمانی و تعامل در فیزیک، شیمی و علوم زیستی پا به عرصه تکنولوژی گذاشته است.”

References:

1. https://www.cambridge.org/core/journals/high-power-laser-science-and-ngineering/article/petawatt-and-exawatt-class-lasers-worldwide/D85E3F002CBFC286C08076E127BB5F5C/core-reader
2. https://www.photonics.com/Articles/Prism_Awards_Honor_Industrys_Top_Innovators/a62817
3. Cerullo and S.De Silvestri, Ultrafast optical parametric amplifiers, American Institute of Physics,2003.
4. Witte and Kjeld S. E. Eikema, Ultrafast Optical Parametric Chirped-Pulse Amplification,2012.
5. Zheng J. Zacharias, H., Non-collinear optical parametric chirped-pulse amplifier for few-cycle pulses, Appl Phys B.97: 765–۷۷۹, ۲۰۰۹٫
6. Yoon, S.Lee, T.Yu, Broadband, high gain two-stage optical parametric chirped pulse amplifier using BBO
7. crystals for a femtosecond high-power Ti:sapphire laser system, Current Applied Physics 12: 648e653, 2012.

[۱] Backus

[۲] Mode-Locking

[۳] Switching

[۴] Chirped Pulse Amplification

[۵] Day

[۶] Optical Parametric Amplification

[۷] Strecher

[۸] Compressor

[۹] Offner

[۱۰] Prism