아토초 과학을 위한 초고속 레이저

초고속 레이저아토초 과학을 위해
현재 아토초 펄스는 주로 강한 전자기장에 의한 고차 조화파 발생(HHG)을 통해 얻어집니다. 아토초 펄스 발생의 핵심은 강한 레이저 전기장에 의해 전자가 이온화, 가속 및 재결합되면서 에너지를 방출하고, 그 결과 아토초 극자외선(XUV) 펄스가 방출되는 것입니다.
따라서 아토초 출력은 펄스 폭, 에너지, 파장 및 반복률에 매우 민감합니다.구동 레이저(초고속 레이저): 펄스 폭이 짧을수록 아토초 펄스를 분리하는 데 유리하고, 에너지가 높을수록 이온화 및 효율이 향상되며, 파장이 길수록 차단 에너지가 높아지지만 변환 효율이 크게 감소하고, 반복률이 높을수록 신호 대 잡음비가 향상되지만 단일 펄스 에너지에 의해 제한됩니다. 전자 현미경, X선 흡수 분광법, 동시 계수법 등 다양한 응용 분야에서 아토초 펄스 지수에 대한 중요도가 다르기 때문에 구동 레이저에 대한 차별화되고 포괄적인 요구 사항이 제시됩니다. 아토초 과학 분야에서 구동 레이저의 성능 향상은 매우 중요합니다.

구동 레이저(초고속 레이저) 성능 향상을 위한 4가지 핵심 기술 경로
1. 더 높은 에너지: HHG의 낮은 변환 효율을 극복하고 높은 처리량의 아토초 펄스를 얻도록 설계되었습니다. 기술 발전은 기존의 처프 펄스 증폭(CPA)에서 광 파라메트릭 증폭(OPCPA), 이중 처프 OPA(DC-OPA), 주파수 영역 OPA(FOPA), 준위상 정합 OPCPA(QPCPA) 등을 포함하는 광 파라메트릭 증폭 계열로 전환되었습니다. 또한, 코히런트 빔 합성(CBC)과 펄스 분할 증폭(DPA) 합성 기술을 결합하여 열 효과 및 비선형 손상과 같은 단일 채널 증폭기의 물리적 한계를 극복하고 줄(Joule) 수준의 에너지 출력을 달성했습니다.
2. 더 짧은 펄스 폭: 전자 역학 분석에 사용할 수 있는 고립된 아토초 펄스를 생성하도록 설계되었으며, 이를 위해서는 적은 수 또는 주기 이하의 구동 펄스와 안정적인 캐리어 엔벨로프 위상(CEP)이 필요합니다. 주요 기술로는 중공 코어 광섬유(HCF), 다중 박막(MPSC), 다중 채널 공진기(MPC)와 같은 비선형 후압축 기술을 사용하여 펄스 폭을 극히 짧게 압축하는 방식이 있습니다. CEP 안정성은 f-2f 간섭계를 사용하여 측정하며, 능동 피드백/피드포워드(예: AOFS, AOPDF) 또는 주파수 차이 프로세스 기반의 수동 전광학적 자체 안정화 메커니즘을 통해 달성됩니다.
3. 더 긴 파장: 아토초 광자 에너지를 생체 분자 이미징을 위한 "물 투과 영역" 대역으로 끌어올리도록 설계되었습니다. 주요 기술 개발 경로는 세 가지입니다.
광 파라메트릭 증폭(OPA) 및 그 캐스케이드: BiBO 및 MgO:LN과 같은 결정을 사용하여 1-5μm 파장 범위에서 주류 솔루션입니다. 5μm 파장 대역에는 ZGP 및 LiGaS₂와 같은 결정이 필요합니다.
차동 주파수 생성(DFG) 및 펄스 내 차동 주파수(IPDFG): 수동 CEP 안정성을 갖춘 시드 소스를 제공할 수 있습니다.
Cr:ZnS/Se 전이 금속 도핑 칼코게나이드 레이저와 같은 직접 레이저 기술은 "중적외선 티타늄 사파이어"로 알려져 있으며, 소형 구조와 높은 효율이라는 장점을 가지고 있습니다.
4. 높은 반복률: 신호 대 잡음비 및 데이터 수집 효율을 개선하고 공간 전하 효과의 한계를 해결하기 위한 것입니다. 두 가지 주요 경로가 있습니다.
공진 강화 공동 기술: 고정밀 공진 공동을 사용하여 메가헤르츠 수준의 반복 주파수 펄스의 피크 전력을 향상시켜 고차 조화파 발생(HHG)을 구동하는 이 기술은 극자외선(XUV) 주파수 콤과 같은 분야에 적용되어 왔지만, 고립된 아토초 펄스를 생성하는 것은 여전히 ​​어려운 과제입니다.
높은 반복률과고출력 레이저OPCPA, 비선형 후압축과 결합된 광섬유 CPA, 박막 발진기를 포함한 직접 구동 방식은 100kHz의 반복률로 아토초 펄스를 독립적으로 생성하는 데 성공했습니다.