Effektiv generering af relativistiske næsten-enkeltcyklus midt-infrarøde impulser i plasmaer

Opfindelsen af ​​den chirpede pulsforstærkningsteknik af Strickland og Mourou i 1985 har øget topeffekten af ​​ultrakorte laserimpulser til et hidtil uset niveau, som har fundet brede anvendelser inden for grundlæggende videnskab, industri og medicin. Imidlertid, sådanne højeffektlasere opnås sædvanligvis ved den nær-infrarøde bølgelængde på ca. 0,8 mikron. Udvidelsen til det mellem-infrarøde bånd (2-20 mikron) er af stor interesse for bredere applikationer. På nuværende tidspunkt genereringen af ​​melleminfrarøde laserimpulser baseret på konventionelle optiske teknologier er begrænset af frekvensbåndbredden, energi gevinst, og skadetærskel for de optiske krystaller, hvilket gør det udfordrende at opnå høj-intensitet lav-cyklus midt-infrarøde laserimpulser.

I et nyt blad udgivet i Lys:Videnskab og anvendelse , forskere fra Shanghai Jiao Tong University, Kina og University of Strathclyde, UK foreslog en ny ordning for effektivt at generere midt-infrarøde lysimpulser af næsten en enkelt cyklus med nogle få millijoule i energi ved brug af et plasmamedium. Denne ordning anvender to kortpulslasere på terawatt-niveau oprindeligt med bølgelængde på ~0,8 mikrometer, som falder ind i en undertæt plasmakanal med en vis tidsforsinkelse. En af dem bruges som drivlaser til at excitere et laservågefelt i plasmaet, som vises som et par bevægelige plasmatæthedsbobler bag den drivende puls. En anden laserimpuls, da signalimpulsen forplanter sig sammen med drivimpulsen med en vis tidsforsinkelse, så den fyldes ved hovedpositionen af ​​den anden plasmaboble. Denne signalimpuls moduleres af plasmaboblen, og dens frekvens vil blive forskudt hurtigt. Efter en udbredelsesafstand på omkring 2 millimeter, det omdannes effektivt til en næsten-enkeltcyklus midt-infrarød lysimpuls med en centerbølgelængde på omkring 5 mikron, og dens konverteringseffektivitet er så høj som ca. 30%.

"Et interessant aspekt af vores skema er, at de opnåede mid-infrarøde pulsparametre, inklusive pulsenergi, central bølgelængde, puls varighed, bærer fase, og endda polariseringstilstand, kan indstilles ved at ændre parametrene for den indfaldende laserpuls og plasma, " sagde Zheng-Ming Sheng, en af ​​avisens hovedforfattere.

"Sammenlignet med traditionelle optiske krystalmaterialer, plasma-baserede optiske metoder kan opretholde ekstremt høj effekt og intensitet laserimpulser, " tilføjede Su-Ming Weng, en anden hovedforfatter af papiret. "Dette gør den plasma-baserede optiske metode unik i manipulation af ultrakorte højeffektlasere."

"Vores skema kan realiseres på et lasersystem med en kilohertz-gentagelseshastighed, derved tilvejebringes en stabil og effektiv metode til at generere mid-infrarøde lysimpulser med millijoule, relativistisk intensitet, og næsten enkelt cyklus til brede applikationer, " sagde Jie Zhang, en af ​​medforfatterne, laserplasma programleder i Shanghai Jiao Tong University.