Принцип чирпированного усиления импульсов (CPA)
Чирпированное усиление импульсов (Chirped Pulse Amplification, CPA) является краеугольной технологией современной фемтосекундной лазерной физики. Этот метод позволяет усиливать ультракороткие лазерные импульсы до экстремально высоких пиковой мощности, избегая при этом нежелательных нелинейных эффектов и разрушения усилительной среды. Основная идея заключается в предварительном растяжении импульса во времени (чирпировании), усилении растянутого импульса и последующей компрессии до исходной или даже меньшей длительности.
Растяжение импульса (чирпирование)
При генерации ультракоротких импульсов, например, в лазерах на Ti:Sapphire, длительность импульса может составлять 10–100 фс. Такой короткий импульс обладает чрезвычайно высокой пиковой мощностью даже при умеренной энергии. Попытка непосредственного усиления без предварительной обработки привела бы к нелинейным и искажающим явлениям, таким как самофазовая модуляция, самофокусировка и, в конечном счёте, разрушение усилителя.
Для устранения этих эффектов первоначальный импульс растягивают во времени до нескольких сотен пикосекунд или даже наносекунд с помощью дисперсионных оптических систем — чаще всего на основе дифракционных решеток, призм или волокон с дисперсией. Это приводит к временной сепарации спектральных компонент импульса: коротковолновые и длинноволновые компоненты распространяются с различными групповой задержкой, формируя положительный (или отрицательный) линейный чирп.
Такой чирпированный импульс имеет ту же энергию, но существенно меньшую пиковую мощность, что позволяет избежать разрушения активной среды при последующем усилении.
Усиление растянутого импульса
После растяжения импульс подаётся в оптический усилитель. Наиболее часто используются следующие типы усилителей:
В регенеративных усилителях растянутый импульс многократно циркулирует в резонаторе, усиливаясь за счёт последовательного прохождения через активную среду. Такие системы позволяют достичь высокого уровня усиления при точном контроле за временной и энергетической стабильностью.
Оптические параметрические усилители основаны на нелинейном взаимодействии в кристаллах с χ(2)-неподлинной нелинейностью. Они особенно перспективны для CPA, так как обладают широким усилительным спектром, отсутствием тепловых эффектов и могут быть легко синхронизированы с основным генератором.
Компрессия импульса
После усиления импульс подвергается обратной компрессии. Для этого применяются симметричные по фазе элементы по отношению к растяжителям: решетки, призмы или специальные волоконные системы. Компрессия восстанавливает временную структуру импульса, превращая его в короткий импульс с существенно большей энергией, чем на входе.
Идеальная компрессия возможна только при точном согласовании дисперсионных характеристик растяжителя и компрессора. Малейшие фазовые искажения приводят к удлинению импульса, появлению «хвостов» или даже модуляции его амплитудной формы.
Реальные CPA-системы достигают длительностей порядка 20–30 фс с энергиями от миллиджоулей до нескольких джоулей, что соответствует пиковой мощности на уровне тера- и петаватт.
Нелинейные эффекты и их контроль
Даже при растяжении, при высоких уровнях усиления могут возникать:
Для минимизации этих эффектов применяются:
Прецизионное управление фазой: фазовая компенсация и измерения
Для достижения длительностей порядка нескольких фемтосекунд (и даже аттосекунд) критически важно обеспечить не только нужную амплитудную форму, но и корректную фазу спектральных компонент. Современные CPA-системы часто снабжаются системами фазовой компенсации, основанными на:
Такие системы позволяют компенсировать фазовые искажения от оптических элементов, воздуха, нелинейностей, обеспечивая сжатие импульса до предельных теоретических значений.
Историческое значение и практическое применение CPA
Метод CPA был впервые предложен и реализован Д. Стриклендом и Ж. Муром в 1985 году. В 2018 году за разработку этой технологии им была присуждена Нобелевская премия по физике. Именно CPA-технология открыла путь к созданию компактных фемтосекундных лазеров с пиковой мощностью свыше 10¹⁵ Вт, нашедших применение в:
Технологические особенности современных CPA-систем
Современные CPA-системы включают в себя множество технологических решений:
Альтернативные подходы и развитие технологии
Хотя CPA остаётся доминирующей технологией, активно исследуются и альтернативные методы усиления ультракоротких импульсов:
Эти направления расширяют границы применения CPA и подводят фундамент к новым поколениям лазеров, включая exawatt-уровень.