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在 200 kHz 重複率下產生用於強場實驗的 2-µm 週期量級脈衝的緊湊型雷射系統


核心概念
本文介紹了一個緊湊、穩定的雷射系統,該系統產生 2 µm、週期量級的脈衝,適用於強場實驗,例如高諧波產生和強場光發射。
摘要

雷射系統概述

本研究論文介紹了一個新穎的緊湊型雷射系統,能夠產生適用於強場實驗的 2 µm 週期量級脈衝。該系統採用三級參數放大/頻率轉換設計,由商用的 80 W Light Conversion Carbide 雷射作為泵浦源驅動。

系統設計與功能

該系統的核心是 Carbide 泵浦雷射,它提供 200 fs、1030 nm、400 µJ 的超短脈衝,重複率為 200 kHz。這些脈衝通過一系列三個主要階段:

  1. **白光產生:**一小部分 1030 nm 泵浦光聚焦到釔鋁石榴石 (YAG) 晶體中,產生寬頻超連續譜,作為後續頻率轉換階段的種子。
  2. **可見光非共線光參數放大器 (VIS-NOPA):**另一部分 1030 nm 光經過倍頻,用於泵浦 VIS-NOPA。通過利用龐廷向量補償幾何結構,可以放大白光種子的寬光譜範圍,產生 630-730 nm 的可見光脈衝,脈衝能量約為 3.5 µJ。
  3. **差頻產生 (DFG) 和放大:**VIS-NOPA 輸出脈衝與一部分 1030 nm Carbide 雷射光在 BBO 晶體中進行差頻產生,產生中心波長約為 2 µm 的近紅外 (NIR) 脈衝。然後,這些 NIR 脈衝在最後一個放大級中被放大,使用 BBO 或 BiBO 晶體作為非線性介質,產生高達 30 µJ 的脈衝能量。

結果與效能

該雷射系統表現出出色的脈衝能量穩定性,在 2000 個連續脈衝中測得的輸出脈衝相對標準偏差 (RSD) 值為 0.19%。通過 d-scan 技術表徵,實現了低至 15.4 fs 的脈衝持續時間。此外,該系統還表現出良好的被動載波包絡相位 (CEP) 穩定性,在十分鐘內測得的均方根 (RMS) CEP 噪聲為 108 mrad。

強場實驗的應用

開發的雷射系統非常適合強場實驗,例如:

  • **過渡金屬二硫屬化物 (TMD) 的強場電子光發射:**通過將 2 µm 脈衝聚焦到 TMD 樣品上,可以產生來自表面的非線性電子發射,從而可以研究激子動力學。
  • **氣體中的高次諧波產生 (HHG):**高脈衝能量使 HHG 能夠在氣體中產生寬頻 XUV 輻射,截止能量高達 150 eV。

總結與未來方向

總之,本研究展示了一個緊湊、穩定且功能強大的雷射系統,能夠產生適用於各種強場應用的 2 µm 週期量級脈衝。該系統的設計簡化了實驗設置,同時保持了高性能。未來的研究方向包括通過主動 CEP 控制進一步提高 CEP 穩定性和優化 HHG 過程。

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統計資料
該雷射系統產生的輸出脈衝能量高達 30 µJ。 測量了 2000 個連續脈衝的脈衝能量穩定性,相對標準偏差 (RSD) 為 0.19%。 使用 BBO 晶體放大時,最短脈衝持續時間為 19.5 fs。 使用 BiBO 晶體放大時,最短脈衝持續時間為 15.4 fs。 該系統的被動載波包絡相位 (CEP) 穩定性表現出 108 mrad 的均方根 (RMS) 噪聲。 通過模擬慢速 CEP 穩定迴路,RMS 噪聲可降至 60 mrad。 HHG 實驗中實現了高達 150 eV 的截止能量。 估計 XUV 光子的通量約為 5 × 10^6 光子/秒。
引述
"由於 λ2-比例的 HHG 過程截止能量 [11],現在可以達到遠高於 100 eV 的高光子能量 [12,13]。" "與傳統的 Ti:Sa 光源相比,近年來對波長更長的近紅外至中紅外光源的需求有所增加。" "由於實現的高脈衝能量,該系統的輸出脈衝可用於強場實驗。"

深入探究

除了 HHG 和強場光發射之外,這種新型雷射系統的開發如何促進其他科學領域的進步?

這種新型的緊湊型高重複率雷射系統,除了在高次諧波產生 (HHG) 和強場光發射領域之外,還能在其他科學領域帶來顯著的進步: 超快時間分辨光譜學: 200 kHz 的高重複率允許更快速地獲取數據,從而能夠研究更弱的光學效應,並提高時間分辨光譜學的信噪比。這對於研究分子動力學、化學反應動力學和材料科學中的載流子動力學非常有幫助。 非線性顯微鏡: 高重複率和短脈衝寬度非常適合非線性顯微鏡技術,例如多光子顯微鏡和 CARS 顯微鏡。這些技術可以對生物樣本進行無標記成像,並提供更高的空間分辨率和更深的穿透深度。 光遺傳學: 這種雷射系統的輸出波長在近紅外區域,可以穿透生物組織,並且可以通過非線性光學效應轉換到可見光區域。這使得它非常適合光遺傳學研究,例如神經元活動的精確控制。 微加工: 高重複率和高脈衝能量的組合可以實現高精度和高速的材料微加工。這對於製造微流體器件、光子晶體和生物醫學植入物非常有幫助。 總之,這種新型雷射系統的開發為超快科學和技術的進步提供了新的可能性,並將在物理、化學、生物和材料科學等多個領域產生重大影響。

這種雷射系統的緊湊性是否會限制其在需要更大設置或更高功率輸出的某些應用中的適用性?

的確,雖然這種新型雷射系統的緊湊性是一大優勢,但它也可能在某些應用中造成限制: 需要更高脈衝能量的應用: 對於需要更高脈衝能量的應用,例如某些類型的遠距離遙測或需要產生極端紫外光或 X 射線的應用,這種雷射系統的輸出能量可能不足。在這些情況下,可能需要更大的雷射系統或額外的放大級。 需要複雜光束傳輸和操控的應用: 緊湊型系統通常意味著光束傳輸和操控的空間有限。對於需要複雜光束傳輸和操控的應用,例如某些類型的顯微鏡或光刻技術,可能需要對系統進行額外的設計和優化。 然而,這種緊湊型雷射系統的設計也為克服這些限制提供了可能性: 後續放大: 可以通過添加額外的放大級來增加輸出脈衝能量,從而滿足需要更高能量的應用。 光纖傳輸: 可以利用光纖將雷射輸出傳輸到遠處或需要複雜光束操控的位置。 總體而言,這種緊湊型雷射系統的適用性取決於具體的應用需求。對於許多應用來說,其緊湊性、高重複率和短脈衝寬度將帶來顯著的優勢。而對於需要更高能量或更複雜光束操控的應用,則需要仔細評估其適用性,並可能需要對系統進行額外的設計和優化。

這種雷射技術的進步如何幫助我們更深入地了解量子現象和超快過程?

這種新型雷射技術的進步,特別是其超短脈衝和高重複率的特性,為更深入地了解量子現象和超快過程提供了強大的工具: 時間分辨阿秒科學: 這種雷射系統產生的近紅外飛秒脈衝可用於產生阿秒脈衝,從而能夠以無與倫比的時間分辨率研究電子動力學、分子動力學和化學反應。例如,可以利用阿秒脈衝探測原子和分子中的電荷遷移、化學鍵斷裂和形成等超快過程。 強場物理: 高脈衝能量和短脈衝寬度允許在實驗室中產生極高的電場強度,從而可以研究物質在強場下的行為。例如,可以利用這種雷射系統研究高次諧波產生、多光子電離和高能粒子加速等強場現象。 量子材料研究: 這種雷射系統的高重複率和穩定性使其成為研究量子材料(例如拓撲絕緣體、超導體和強關聯電子系統)的理想工具。例如,可以利用時間分辨光譜技術研究這些材料中的超快動力學,例如載流子弛豫、相變和激發態動力學。 總之,這種新型雷射技術的進步為探索量子世界和超快現象提供了前所未有的能力。隨著這些技術的進一步發展,我們可以預期在基礎物理、化學、材料科學和生物學等領域取得更多突破性的發現。
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