Højeffektiv pulskompression etableret på solitoner i ikke-lineære Kerr-resonatorer

Generering af intense ultrakorte pulser med høj rumlig kvalitet har åbnet muligheder for ultrahurtig og stærkt feltvidenskab. Det er så vigtigt, at Nobelprisen i fysik 2018 blev givet til Dr. Strickland og Dr. Mourou for at opfinde en teknik kaldet chirped pulse amplification, som driver adskillige ultrahurtige lasere verden over. Med den store fremgang i det sidste årti, Yb-baserede ultrahurtige lasere er blevet meget populære, fordi de udviser enestående termisk effektivitet, er lave i omkostninger og er meget fleksible til at justere pulsenergier og gentagelseshastigheder.

Imidlertid, pulsvarighederne fra disse lasere er normalt ikke kortere end 100 fs eller endda 1 ps, som kræver ekstern pulskompression til applikationer. De eksisterende supercontinuum generation (SCG) og pulskompressionsteknikker har typisk lav effektivitet. Mange af dem kræver vakuumsystemer, vakuum-gas grænseflader, og er, derfor, dyre og komplicerede at vedligeholde. Som resultat, anvendelsen af ​​disse teknikker er stadig begrænset i nogle få specialiserede laboratorier, og kan ikke bruges meget i fysik, femtokemi og femtobiologi laboratorier, som repræsenterer de vigtigste anvendelser af ultrahurtige lasere.

I et nyt blad udgivet i Lysvidenskab og applikationer , et hold af kinesiske og østrigske videnskabsmænd, ledet af professor Zhensheng Tao fra State Key Laboratory of Surface Physics og Institut for Fysik, Fudan Universitet, Shanghai, Kina foreslog og demonstrerede, at dannelsen af ​​optiske solitoner under udbredelsen af ​​stærke ultrahurtige laserimpulser i periodiske lagdelte Kerr-medier (PLKM) kan tjene som en simpel, pålidelig og omkostningseffektiv løsning til SCG og pulskompression. De fandt ud af, at dannelsen af ​​solitonerne er et resultat af balancen mellem den ikke-lineære Kerr-selvfokusering og den lineære diffraktion af laserstrålen, som kan understøtte bæredygtig og langdistance ikke-lineær lys-stof-interaktion, og dermed forbedre SCG-effektiviteten.

Mere interessant, ved at begrænse stråleudbredelsen i disse solitære tilstande, høj rumlig kvalitet og rumlig-spektral homogenitet kan opnås, når> 85 % kompressionseffektivitet. Som en demonstration af en sådan metode, forskerne brugte de komprimerede impulser til at drive en meget ikke-lineær optisk proces, kaldet høj harmonisk generering, producerer lyst og sammenhængende ekstremt ultraviolet og blødt røntgenlys fra et gasmål. Den højharmoniske proces er ekstremt følsom over for den spatio-temporale kvalitet af de komprimerede impulser, og det viste tydeligt det store potentiale ved denne metode. Det er værd at nævne yderligere, at de samlede omkostninger ved at konstruere PLKM SCG-enheden kun er ~$200. Den rapporterede metode og teknik vil bane vejen for fremtidig højeffektivitet, pålidelig og omkostningseffektiv SCG og pulskompression af ultrahurtige lasere, som kan bruges i vid udstrækning i laboratorier for ultrahurtig fysik, kemi og biologi.

Den høje effektivitet, lavpris SCG og puls kompression metode er centreret omkring undersøgelser af dannelsen og stabiliteten af ​​de solitære tilstande i en PLKM ikke-lineær resonator. Med de ensomme tilstande, udbredelsen af ​​intens laserstråle kan manipuleres for at generere det ønskede brede spektrum og høj rumlig kvalitet. Denne metode kan understøtte applikationer på ultrahurtige lasere med forskellige pulsenergier og gentagelseshastigheder. Forskerne opsummerer fordelene ved deres metode:"Sammenlignet med eksisterende superkontinuumgenerering og pulskompressionsmetode, den metode, vi foreslog og demonstrerede, har fire fordele:(1) Den er meget enkel og omkostningseffektiv at konstruere og vedligeholde, fordi det ikke kræver vakuumsystemer eller strålepegende stabiliseringsopsætninger; (2) Det er meget fleksibelt, som kan anvendes på ultrahurtige lasere med forskellige energier og kraft; (3) Det har meget høj effektivitet, som kan være så højt som 85 %; og (4) den er meget stabil. Vi mener, at denne metode kan introduceres bredt til mange fysik, kemi og biologi laboratorier, for de videnskabsmænd, der bruger ultrahurtig laser, men som ikke har specialer i at konstruere et bredbåndslasersystem."