¿Cuáles son los métodos y tecnologías para expandir las bandas láser ultrarrápidas basadas en CPA?

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Con Diferentes componentes de color. Esto es diferente de los láseres tradicionales.

Los láseres ultrarrápidos tienen una potencia y una densidad de potencia extremadamente altas. Actualmente, un sistema láser puede incluso producir hasta

La potencia máxima es de 1015 vatios, mientras que la potencia media de la red eléctrica mundial es de sólo 10 vatios. Un trabajo tan elevado

21111210W/cm2 puede crear muchos entornos experimentales extremos, como campo súper luminoso: campo súper eléctrico: 10

V/cm, campo magnético súper fuerte: > 10 G , aceleración ultraalta: 10 g, temperatura ultraalta: > 10 K, presión ultraalta: > 10 bar. Esto nos da la posibilidad de estudiar fenómenos físicos en condiciones extremas.

En los últimos años, el rápido desarrollo de nuevas tecnologías láser miniaturizadas ultrarrápidas ha proporcionado a los humanos nuevos métodos experimentales y condiciones físicas extremas. Estas condiciones físicas extremas, creadas en el laboratorio, sólo pueden encontrarse en el centro de una explosión nuclear, dentro de una estrella o en el borde de un agujero negro. En las condiciones que la tecnología láser ultrarrápida ha proporcionado y proporcionará campos de luz cada vez más fuertes y rápidos debido a su mayor desarrollo, la interacción entre el láser y diversas formas de materia entrará en un nivel sin precedentes, altamente no lineal y relativo. Se estudiará más a fondo la interacción entre la luz y la materia a un nivel material más profundo, e incluso la interacción entre la luz y el vacío, creando así una nueva frontera en el campo de la ciencia y la tecnología modernas.

En los últimos diez años, debido a la propuesta y aplicación de la tecnología láser ultrarrápida de amplificación de pulso chirriado (CPA), la aparición de materiales de cristal láser de banda ancha (como los dopados con titanio) zafiro), y la invención de la tecnología de bloqueo del modo de lente Er ha llevado al rápido desarrollo de la tecnología láser ultrarrápida. En laboratorios de todo el mundo se han construido sistemas miniaturizados de femtosegundos terahercios (10 W) e incluso sistemas láser ultrarrápidos de orden superior, que han desempeñado un papel importante. Ha habido informes recientes de que se están aplicando pulsos más cortos y salidas láser de mayor potencia, como pulsos láser de menos de 5 femtosegundos generados directamente por osciladores láser, sistemas láser ultrarrápidos miniaturizados de femtosegundo de 100 megavatios y tecnología CPA. En comparación con el neodimio tradicional a gran escala. Con dispositivos láser de vidrio, se puede obtener una potencia láser de 1 picovatio (10 vatios). También han comenzado las investigaciones sobre la interacción entre láseres ultrarrápidos y materia con una densidad de potencia láser de 1019 ~ 1020919981215w/cm2.

La amplificación láser tradicional utiliza amplificación de ondas viajeras directas, pero para pulsos láser ultracortos, a medida que aumenta la energía

A medida que aumenta la energía, su potencia máxima aumentará rápidamente, lo que resulta en varios efectos no lineales y efectos de saturación de ganancia, lo que limita una mayor amplificación de energía.

El principio de la tecnología CPA es ampliar el pulso mediante elementos de dispersión manteniendo el mismo ancho espectral.

Varios órdenes de magnitud, formando el llamado pulso chirriado. Por lo tanto, durante el proceso de amplificación, incluso si la energía de salida del pulso láser aumenta rápidamente, su potencia máxima se puede mantener en un nivel bajo, por lo que evitando Elimina el efecto no lineal y gana el efecto de saturación y asegura el crecimiento estable de la energía del pulso láser. Cuando la energía alcanza la saturación y se obtiene la energía que se puede amplificar, la potencia máxima se puede aumentar considerablemente comprimiendo el pulso a su ancho original con la ayuda del componente opuesto a la dispersión durante el ensanchamiento del pulso.

Para superar algunas limitaciones de la tecnología CPA, la comunidad internacional está explorando y desarrollando activamente una nueva generación de fuentes de superpotencia.

Los nuevos principios y nuevos métodos de láseres ultrarrápidos, como la amplificación paramétrica óptica de pulso chirped (OPCPA), tienen como objetivo crear condiciones físicas extremas ultrarrápidas más fuertes y rápidas, especialmente para obtener más de (igual a) 1021 W/cm2 de enfocable. intensidad del láser. OPCPA aprovecha al máximo las ventajas de la amplificación de pulso chirriado y la amplificación paramétrica óptica, y es un nuevo enfoque técnico para desarrollar láseres ultrapotentes y ultrarrápidos en los últimos años.

En la actualidad, el principio de OPCPA todavía se encuentra en la etapa de investigación previa a un nivel de potencia medio, pero contiene una gran vitalidad.

Poder. Además, la optimización de la calidad del rayo láser ultrarrápido, la configuración y el control de los perfiles espacio-temporales, la generación de pulsos láser ultracortos con anchos de pulso periódicos inferiores a 10 femtosegundos, la amplificación efectiva y la optimización del rendimiento son también las principales direcciones para la innovación continua y desarrollo en el futuro.

La tecnología láser ultrarrápida juega un papel extremadamente importante en la promoción del desarrollo de la ciencia básica y la alta tecnología. Los láseres ultrarrápidos

No solo son de gran importancia en disciplinas de vanguardia, sino que también crearán una nueva escala de laboratorio, la llamada ciencia y tecnología de escritorio con condiciones extremas integrales, promoviendo así directamente la ciencia láser y la tecnología moderna. óptica, El desarrollo de un gran número de disciplinas básicas como la física atómica y molecular, la física del plasma, la física de altas energías y la física nuclear, la física de la materia condensada, la astrofísica, la física teórica y la ciencia no lineal, y en el desarrollo innovador de algunas importantes disciplinas contemporáneas. campos de alta tecnología, como subfemtosegundo o incluso attosegundo (65,438+) 18 segundos) nuevos principios científicos, nuevos conceptos de ignición rápida en fusión nuclear por láser, nuevas soluciones para fuentes de neutrones de fusión de escritorio inducidas por láser, gradiente ultra alto miniaturizado aceleradores de partículas.

Los nuevos mecanismos y nuevos métodos de longitud de onda ultracorta y radiación coherente ultrarrápida sobre la mesa también juegan un papel insustituible.

Actualmente, las tasas de repetición ultraaltas se producen en sistemas láser de escritorio que son mucho más pequeños que los dispositivos tradicionales.

Salida láser de pulso corto (normalmente de 10 a 13 segundos o incluso menos) de teravatios o superior. La intensidad del láser enfocado ha aumentado cinco o seis órdenes de magnitud en la última década, alcanzando 1019 ~ 1020 w/cm2. Pronto alcanzará un récord de 1.021 W/cm2, creando condiciones físicas extremas a escala de laboratorio. Con una intensidad de luz de 102w/cm2, el campo eléctrico local será tan alto como 1012v/cm, lo que equivale a 170 veces la intensidad del campo de Coulomb en la primera órbita de Bohr del átomo de hidrógeno. El campo magnético correspondiente alcanzará el rango ultrafuerte de 105 tex;

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La densidad de energía correspondiente ya está por encima de 3×1010J/cm3, lo que equivale a una temperatura de 10KeV La densidad de energía de un cuerpo negro. Al mismo tiempo, se generará una enorme presión ligera, cercana a los 1017 Pa. En un campo láser tan alto, la energía cinética de oscilación de los electrones será superior a 10 MeV (para un láser con una longitud de onda de 1,06 micrones), lo que excede con creces la masa en reposo de los electrones (0,5 MeV), y la aceleración de los electrones será también alcanza 1022m/S2, es decir 1021g (gravedad

Las primeras investigaciones en este campo mostraron que la interacción de láseres intensos con átomos y moléculas daba como resultado ionización en túnel, ionización con barrera suprimida, armónicos impares de orden superior, estabilización, control de fase molecular y nuevos fenómenos como la explosión de Coulomb El método tradicional de perturbación para problemas no lineales ha sido reemplazado por la teoría de la no perturbación. En la actualidad, la interacción entre láseres ultrarrápidos y átomos ha entrado en una nueva etapa donde los efectos relativistas juegan un papel dominante. por lo que se debe utilizar la ecuación de Lack para manejar correctamente el comportamiento dinámico de la interacción. Por otro lado, los anchos de pulso láser obtenidos hoy son inferiores a 10 femtosegundos, siendo el más corto de 4 femtosegundos y contiene solo 1,5 fotoperiodos (estrictamente para láseres). con una longitud de onda de 800 nanómetros). En otras palabras, el pulso de luz en este momento aún no se ha convertido en una "onda de luz" y ha perdido las características periódicas únicas del fenómeno de fluctuación. La teoría tradicional de la interacción entre la luz y la materia con más tiempo. El ancho de pulso ya no es aplicable, creando así una nueva teoría de interacción no lineal extrema. La interacción de láseres ultrafuertes y ultrarrápidos con pulsos periódicos o incluso subperiódicos con diversas formas de materia también conducirá a una serie de nuevos fenómenos y leyes físicas. Buscar estos nuevos fenómenos y leyes y establecer nuevos conceptos y nuevas teorías son una tarea de investigación urgente y el foco de la competencia internacional en el campo de la ciencia del láser ultrapotente y ultrarrápido. Láseres y cúmulos ultrarrápidos, plasmas de alta temperatura y alta densidad y electrones libres. La interacción de sustancias especiales también se ha convertido en una nueva dirección de investigación, que no solo amplía enormemente el desarrollo en profundidad de este tema, sino que también proporciona. nuevas soluciones y nuevas formas para el desarrollo innovador de importantes campos de alta tecnología relacionados.

Recientemente, estudios experimentales han observado átomos "huecos" con configuraciones electrónicas invertidas que generan una gran cantidad de agujeros en el interior de la capa bajo condiciones múltiples. -excitación de fotones, que abrirá nuevas formas de lograr radiación de longitud de onda ultracorta y larga y cúmulos atómicos a gran escala. La interacción de los cúmulos desencadenó con éxito la fusión de escritorio por primera vez, señalando las perspectivas del nuevo concepto; de fusión "de escritorio" Además, el estudio de la interacción entre láseres ultrarrápidos y cúmulos puede servir como puente para ayudar a las personas a comprender la interacción entre la luz y la materia de manera más integral.

Cuando la intensidad de la luz. es mayor que (igual a) 1018 W/cm2, la interacción entre el láser y el electrón entra en el rango de campo fuerte superrelativista. En el experimento se observa por primera vez que los electrones libres se aceleran en el vacío. del orden de megaelectrones voltios; la dispersión no lineal de Thomson de unos 300 femtosegundos y 0,05 nanómetros y su velocidad ultrarrápida.

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Pulsos de rayos X duros; dispersión Compton no lineal multifotónica. Particularmente sorprendente es la primera observación de un fenómeno electrodinámico cuántico de campo fuerte en el que la dispersión inelástica de fotón-fotón produce pares electrón-positrón.

También son láseres ultrarrápidos la generación y aplicación de fuentes de rayos X y rayos γ basadas en la dispersión no lineal de Thomson y la dispersión de Compton, así como la aceleración de electrones mediante campos láser ultrarrápidos con anchos de pulso subperiódicos en el vacío. Un tema candente en el estudio de las interacciones con electrones libres. Además, también se observó un campo de aceleración de gradiente ultra alto en el experimento del campo de cola generado por la interacción entre un láser ultrarrápido y un plasma raro, que es más de tres órdenes de magnitud mayor que el campo de aceleración límite de los aceleradores de partículas de alta energía tradicionales. , proponiendo así la realización de aceleradores de partículas de alta energía. Nuevas soluciones para la miniaturización.

En los últimos años, la interacción entre láseres ultrarrápidos y plasmas de alta temperatura y alta densidad, especialmente el estudio de nuevos fenómenos y leyes altamente no lineales causados ​​por efectos relativistas, también ha atraído gran atención por parte del mundo académico internacional. comunidad. Se ha observado que los láseres ultrapotentes y ultrarrápidos producen una enorme presión óptica, empujando hacia adelante la densidad crítica, formando así nuevos fenómenos como los canales de plasma. Sin embargo, los láseres ultrarrápidos del orden de 1018 ~ 1020 w/cm2 y. Se trata de plasmas de alta temperatura y alta densidad. Interacciones entre cuerpos, como el efecto de "creación de agujeros", la generación de electrones supercalientes, el control y transporte del espectro de energía, etc. Obviamente, el estudio de la interacción entre láseres ultrarrápidos y plasmas de alta temperatura y alta densidad no es sólo uno de los contenidos de investigación importantes en este campo, sino que también puede proporcionar una base para el desarrollo de campos relacionados de alta tecnología, como el láser. fusión nuclear.

El descubrimiento y estudio en profundidad de los armónicos superiores excitados por campos láser ultrarrápidos no sólo proporciona una forma eficaz de obtener fuentes de luz totalmente coherentes en las regiones ultravioleta del vacío (VUV) y ultravioleta extrema (XUV), sino que también proporciona una La generación de radiación ultrarrápida de longitud de onda corta y longitud de onda larga de femtosegundo o incluso attosegundo ha propuesto nuevas ideas y métodos que pueden hacer posible romper la barrera de los femtosegundos, crear tecnología de fotones de attosegundos ultrarrápidos para la humanidad y crear espectroscopia de attosegundos. y física de attosegundos.

Se ha logrado un gran avance en la investigación de la emisión de armónicos de alto orden en el campo de los láseres ultrarrápidos, y los armónicos de alto orden han entrado en la banda de la "ventana de agua". Actualmente, la investigación sobre nuevos conceptos y métodos para generar radiación coherente ultrarrápida en niveles subfemtosegundos o incluso attosegundos es cada vez más activa. En la investigación de láseres de banda de rayos X de longitud de onda corta, el mecanismo láser de rayos X existente no puede lograr un gran avance con longitudes de onda inferiores a 2 nm. La aparición de láseres ultrarrápidos brinda la posibilidad de lograr radiación de longitud de onda ultracorta y de longitud de onda larga. basado en nuevos mecanismos como las transiciones de capa interna. En la actualidad, la investigación sobre el nuevo mecanismo de fotoionización de la capa interna ultrarrápida impulsada por láser de radiación de longitud de onda ultracorta y longitud de onda larga también se ha convertido en un nuevo punto caliente en este campo.

La tecnología láser ultrarrápida proporciona medios y métodos innovadores para el desarrollo de temas interdisciplinares. La tecnología láser ultrarrápida también proporciona medios y métodos innovadores para el desarrollo de dinámica química ultrarrápida, ciencia de materiales de microestructura, fotónica de información ultrarrápida y ciencias de la vida. Como el propio láser ultrarrápido y su interacción con la materia.

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Tecnología de fuente de luz coherente ultrarrápida de femtosegundo y posiblemente incluso subfemtosegundo, nivel de attosegundo, XUV y banda de rayos X para la investigación humana y la aplicación de diversos rayos ultrarrápidos. Los procesos proporcionan un medio poderoso que permitirá a los humanos comprender mejor los procesos de transferencia de energía y de información en materiales del mundo microscópico a un nivel más profundo, y luego podrán realizar el control artificial de algunos procesos físicos, químicos y biológicos, y promover la investigación y el desarrollo en Campos interdisciplinarios como la ciencia de materiales de microestructura y la cinética química ultrarrápida han producido resultados de investigación interdisciplinarios innovadores con un impacto significativo.

En los últimos años, los avances en la investigación del láser de femtosegundo aplicado a la cinética de reacciones químicas han llamado mucho la atención. Xavier ganó el Premio Nobel de Química en 1999 por desarrollar la espectroscopia de femtosegundos y estudiar estados de transición de vida extremadamente corta en reacciones químicas. El progreso mencionado también trae nuevas esperanzas para el uso de láseres potentes y ultrarrápidos para controlar reacciones químicas. Ha roto o formado selectivamente algunos enlaces químicos de moléculas pequeñas, pero aún no ha podido atravesar el complejo sistema de macromoléculas. La combinación de tecnología láser potente y ultrarrápida y tecnología de microscopía óptica de campo cercano puede controlar la interacción entre el láser y las moléculas en múltiples dimensiones. Es un medio poderoso para estudiar la "física de una sola molécula" o la "química de una sola molécula" y puede usarse para. "Cortar" macromoléculas biológicas.

Los láseres ultrarrápidos e intensos también han logrado avances significativos en la preparación de microestructuras de materiales y el estudio de comportamientos dinámicos ultrarrápidos, incluido el desarrollo y aplicación de nuevos métodos de detección con resolución espectral espacial y temporal ultraalta.

Por ejemplo, la tecnología de medición de sonda de difracción de rayos X ultrarrápida de bomba óptica se ha aplicado al estudio de dinámica de red ultrarrápida de monocristales, logrando una resolución espaciotemporal ultra alta de picosegundos a miliamperios, lo que permite a las personas utilizar microexplosión y microagregación; Láseres ultrarrápidos y potentes para obtener una precisión de procesamiento de materiales mejor que el límite de difracción y más pequeña que la longitud de onda óptica, lo que genera nuevas aplicaciones en el almacenamiento de datos tridimensionales de alta densidad. Experimentos recientes también han confirmado que utilizando un láser potente de femtosegundo para irradiar intermitentemente vidrio que contiene partículas de samario, un elemento de tierras raras, a intervalos de micras, junto con una tecnología de grabación de superposición de múltiples longitudes de onda, la densidad de grabación se puede aumentar a 1,01,4 bit/cm ~ 3.

Relativamente hablando, la ciencia del láser ultrarrápido es una nueva disciplina muy joven y está en vísperas de un gran avance. Su importante papel y potencial van mucho más allá de lo que se describe en este artículo. De cara al siglo XXI, se espera que los científicos chinos logren logros importantes en el campo fronterizo activo de la física moderna e incluso de la ciencia moderna. Esto es a la vez un desafío y una oportunidad única.

(Universidad de Ciencia y Tecnología de China PB09206060)

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