Тераваттные импульсы за два цикла: лазер на иттербии сжимается до предела
Контекст
Работа стоит на пересечении двух направлений: с одной стороны, соседние исследования (например, [2606.07147] и [2605.17491]) развивают методы посткомпрессии в многоходовых ячейках для различных лазерных систем, а с другой — работы по лазерно-плазменному ускорению требуют всё более коротких и мощных импульсов. Иттербиевые лазеры привлекательны высокой средней мощностью и масштабируемостью, но их исходные импульсы слишком длинные (сотни фемтосекунд) для прямого использования в ускорении. Поэтому посткомпрессия стала ключевым звеном. Данная работа заполняет пробел: предыдущие демонстрации либо достигали субдвухцикловой длительности при меньшей энергии, либо большей энергии при большей длительности, но не сочетали оба параметра на килогерцовой частоте.
Методы
Импульсы коммерческого лазера MAGMA25 (18 мДж, 400 фс, 1 кГц) пропускались через две последовательные многоходовые ячейки. Первая ячейка (герриоттовского типа) заполнена аргоном при давлении 140 мбар и обеспечивает 29 проходов, вторая (матричная) заполнена гелием при 500 мбар и обеспечивает 9 проходов. Спектральное уширение за счёт фазовой самомодуляции в газе сопровождалось компенсацией дисперсии чирпированными зеркалами: девять зеркал компенсировали -1800 фс² после первой ячейки, а пара дополнительных зеркал -120 фс² после второй. Для диагностики использовались d-max (измерение временного профиля), визуализирующий спектрометр (пространственно-спектральная однородность) и профилометр пучка (фокальное пятно).
Результаты
После двухступенчатой компрессии длительность импульса составила 6,2 фс (1,8 оптического цикла на длине волны 1030 нм), энергия — 12,5 мДж, что даёт пиковую мощность 1,4 ТВт. Фактор компрессии достиг 65. Пространственно-спектральная однородность высокая: параметр V превышает 95% на уровне 50% максимальной интенсивности и 90% для спектрограмм. Фокальное пятно имеет размер 5,8 мкм × 5,4 мкм, внутри эллипса 1/e² содержится 83,4% энергии. Пиковая интенсивность оценена в 1,2×10¹⁹ Вт/см², что соответствует a0 = 3,0. Стабильность наведения составила 0,18 мкм (около 3% диаметра пучка) за 18 минут.
Значение
Работа демонстрирует, что коммерческий иттербиевый лазер может быть превращён в источник тераваттных субдвухцикловых импульсов с помощью относительно компактной двухступенчатой схемы. В отличие от соседних работ, где компрессия часто ограничивается одной ячейкой или меньшими энергиями, здесь достигнут рекордный для посткомпрессированных иттербиевых систем баланс между длительностью, энергией и частотой повторения. Это открывает путь к практическому использованию таких лазеров для лазерно-плазменного ускорения электронов с высокой частотой повторения, что важно для приложений в медицине, дефектоскопии и источниках излучения.
Развитие
Дальнейшее сокращение длительности до одного цикла потребует зеркал с октавной полосой отражения или дополнительной ступени компрессии для более тонкого контроля спектральной фазы. Масштабирование энергии возможно за счёт использования высших мод Лагерра–Гаусса, которые распределяют флюенс более равномерно и позволяют обойти ограничение на пиковую плотность энергии на зеркалах. Повышение средней мощности потребует зеркальных подложек с высокой теплопроводностью и активного охлаждения.
Влияние
Лазерно-плазменное ускорение электронов, генерация вторичного излучения (рентген, гамма), исследования сверхбыстрых процессов в веществе.
Следующие шаги
Провести измерения временного контраста импульсов с высоким динамическим диапазоном, чтобы оценить пригодность для чувствительных экспериментов. Исследовать возможность использования высших мод для повышения энергии без увеличения габаритов.
Ключевые проблемы
Для лазерной физики ключевой нерешённой проблемой остаётся одновременное достижение предельно короткой длительности, высокой энергии и высокой частоты повторения без потери качества пучка. Данная работа показывает, что двухступенчатая посткомпрессия в многоходовых ячейках способна приблизиться к этому пределу для иттербиевых лазеров, но вопросы тепловых эффектов при масштабировании мощности и контроля фазы несущей остаются открытыми.
Импульс длительностью 6,2 фемтосекунды настолько короток, что за это время свет проходит всего 1,86 микрометра — меньше толщины человеческого волоса.
Ключевые числа
- Длительность импульса: 6,2 фс (1,8 оптического цикла)
- Энергия импульса: 12,5 мДж
- Пиковая мощность: 1,4 ТВт
- Частота повторения: 1 кГц
- Нормализованный векторный потенциал: a0 = 3,0