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超短超強力レーザーの実現

超短超強力レーザーの実現

レーザ応用の観点から、レーザの開発は主に、より高いパワー、より短いパルス幅、およびより高いエネルギー出力を見出すことである。
すなわち、超強力超短レーザーパルスを得るプロセスである。
超短レーザーおよび超強力レーザーの構築は、主にレーザー増幅技術の開発と革新に依存しています。

従来のレーザは、レーザ出力を改善するために、Qスイッチング、モードロック、および他の技術を使用する。
レーザ出力を達成するためには、最初に粒子反転を達成することが必要であり、次に損失よりも大きいエネルギー利得を満たすことが必要である。
Qは共振空胴の品質係数で、レーザーのエネルギー損失を測定するために使用されます。 Q値が高いほど、共振空洞の光損失は大きい。
対応するレーザーしきい値が高くなります。 Qスイッチがオフ状態にあるとき、キャビティの内側は、高いしきい値でより多くの反転粒子を蓄積し、レーザ出力を形成しないであろう。
光ポンプがさらにポンピングされるにつれて、上のレベルはますます多くの粒子を蓄積する。
Qスイッチが開いている状態では、ほとんどすべての反転粒子がすぐに上のレベルから遷移し、非常に短い時間(約10 -8〜10 -4)の束を形成します。
光強度は数メガワットのパルス光に達する。 Qスイッチを周期的に調整することにより、高強度の短パルスレーザを安定して連続的に出力することができる。
しかしながら、レーザの光強度がこの閾値よりも高い場合、レーザ利得媒体は一定の損傷閾値を有する。
非線形カー効果のために、レーザ自己集束、波面形成などがレーザ伝播特性(非コリメーション、インコヒーレンスなど)を破壊する。
それは、光波面およびエネルギーの不均一な分布を引き起こし、そして局所的なホットスポットなどを生成し、そして局所的なホットスポットは増幅媒体をさらに損傷するであろう。
Qスイッチング技術は、利得媒体飽和度および損傷閾値によって制限される。光強度が1015W / cm 2より高いと、それ以上負荷を増大させることが困難となる。

チャープパルス増幅(CPA、図1(a)参照)
そして、光パラメトリックチャープパルス増幅(OPCPA、図1(b)参照)の出現、
Qスイッチング技術における固体媒体の損傷閾値の制限を効果的に克服します。
レーザーのパワー密度は1970年代の1015 W / cm 2から今日の1022 W / cm 2まで増加しました。
より高い電力密度を有するレーザーが設計および製造されており、そして近い将来には1024W / cm 2に達すると予想される。

Super ultrashort laser

CPAは、例えば、パルスのスペクトルを散乱させるために一対の格子を使用して、超短シードパルスを経時的に引き伸ばすために分散遅延光学素子を使用する。
シードパルスが時間領域で1000倍から10万倍の範囲で伸びるようにします。時間領域における広がりの後、パルスは単位面積当たり同じエネルギー束を有する。
強度は最初よりもはるかに低いので、ゲイン媒体に安全に導入することができ、その結果6から12桁のエネルギーブーストが生じます。
最後に、一対の共役分散補償コンポーネントを介して、エネルギー利得が実現された後の光パルスの位相補償、およびパルスを初期パルス幅に近くなるように、またはさらに短くなるように再圧縮することができる。
これはレーザーパルスのパワーとエネルギーを効果的に増加させ、超短レーザーパルスを得ることができます[4]。

CPA技術と比較して、過去30年間に開発されたOPCPAは、高いエネルギー利得と短いパルスを得るのにもっと助けになります。
それはまたレーザーのコントラストを効果的に改善することができる。
OPCPA技術の増幅プロセスは、従来の水晶利得媒体を使用して増幅されない。
その代わりに、非線形結晶素子内の光の光パラメトリック増幅器(OPA)を用いて達成される[5]。
OPCPA技術は、ポンプ光のビーム(エネルギー利得を提供する)を光学分散要素(光削除など)によって広げられたシードレーザ信号光と同期させて非線形結晶にする。
それから光パラメトリックプロセスは、波と波の結合を通して起こります、
ポンプ光のエネルギーは、レーザーのエネルギーと別の残留光(アイドル光とも呼ばれる)に完全に変換されます。

CPA技術と同様に、OPCPA技術はポンプ光を信号光と残留光とに完全に変換するので、非線形結晶は加熱されない。
熱放散がなく、水晶が損傷を受けないので、顧客は利得媒質の損傷閾値を制限することができ、超短パルスを得ることができます[6]。
しかしながら、CPA技術の場合、水晶利得媒体によって増幅することができるエネルギーは毎回制限される。
超短波長のレーザパルスを得るためにCPA技術を使用したい場合は、「拡張増幅」プロセスを複数回繰り返す必要があります。
エネルギー利得は多段階増幅によって達成され、これは複雑で面倒で高価である。
対照的に、OPCPA技術は、大量のポンプ光エネルギーしか必要としない。
非線形結晶を用いると、大きなエネルギー利得を一度に得ることができる。
そのため、OPCPAのシステム全体は比較的単純でコンパクトです。
さらに、OPCPAは、CPAよりも広いスペクトルを得ることができ、これは、数サイクルのフェムト秒レーザのようなより短いレーザパルスを得るための圧縮機の最終圧縮にとって有益である。 OPCPA
公認会計士の技術と比較して、技術は実装がより困難です。例えば、信号光とポンプ光の種レーザ位相の整合、および2つの光同期注入結晶の実現は大きな技術的課題を有する。

原著:ゴングー(済寧孔子国際学院)

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