La amplificación de pulso chirriado ( CPA ) es una técnica para amplificar un pulso láser ultracorto hasta el nivel de petavatios , en el que el pulso láser se estira temporal y espectralmente, luego se amplifica y luego se comprime nuevamente. [1] El estiramiento y compresión utiliza dispositivos que aseguran que los diferentes componentes de color del pulso recorran diferentes distancias.
La CPA para láseres fue introducida por Donna Strickland y Gérard Mourou en la Universidad de Rochester a mediados de la década de 1980, [2] trabajo por el que recibieron el Premio Nobel de Física en 2018. [3]
CPA es la técnica de última generación utilizada por la mayoría de los láseres de mayor potencia del mundo.
Antes de la introducción del CPA a mediados de la década de 1980, la potencia máxima de los pulsos láser era limitada porque un pulso láser a intensidades de gigavatios por centímetro cuadrado causa graves daños al medio de ganancia a través de procesos no lineales como el autoenfoque . Por ejemplo, algunos de los rayos láser CPA comprimidos más potentes, incluso en una gran apertura desenfocada (después de salir de la rejilla de compresión) pueden exceder intensidades de 700 GW/cm 2 , que si se permitieran propagarse en el aire o en el medio de ganancia del láser, se producirían instantáneamente. autoenfocarse y formar un plasma o causar la propagación del filamento , lo cual arruinaría las cualidades deseables del haz original e incluso podría causar una retrorreflexión que podría dañar los componentes del láser. Para mantener la intensidad de los pulsos láser por debajo del umbral de los efectos no lineales, los sistemas láser tenían que ser grandes y costosos, y la potencia máxima de los pulsos láser se limitaba al nivel alto de gigavatios o teravatios para haces múltiples muy grandes. instalaciones.
En CPA, por otro lado, un pulso láser ultracorto se alarga en el tiempo antes de introducirlo en el medio de ganancia utilizando un par de rejillas dispuestas de manera que el componente de baja frecuencia del pulso láser recorra un camino más corto que el El componente de alta frecuencia sí lo hace. Después de pasar por el par de rejillas, el pulso láser emite un chirrido positivo , es decir, el componente de alta frecuencia va por detrás del componente de baja frecuencia y tiene una duración de pulso más larga que el original en un factor de 1000 a100 000 .
Luego, el pulso alargado, cuya intensidad es suficientemente baja en comparación con el límite de intensidad de gigavatios por centímetro cuadrado, se introduce de forma segura en el medio de ganancia y se amplifica en un factor de un millón o más. Finalmente, el pulso láser amplificado se recomprime nuevamente al ancho del pulso original mediante la inversión del proceso de estiramiento, logrando una potencia máxima de órdenes de magnitud mayor que la que los sistemas láser podían generar antes de la invención del CPA.
Además de la mayor potencia máxima, el CPA permite miniaturizar los sistemas láser (el compresor es la mayor parte). Un láser compacto de alta potencia, conocido como láser de teravatios de mesa (láser T 3 , que normalmente entrega1 julio de energía dentro1 picosegundo ), se puede crear basándose en la técnica CPA. [4]
Hay varias formas de construir compresores y camillas. Sin embargo, un típico amplificador de pulso chirriado basado en Ti:zafiro requiere que los pulsos se estiren a varios cientos de picosegundos, lo que significa que los diferentes componentes de longitud de onda deben experimentar una diferencia de aproximadamente 10 cm en la longitud del camino. La forma más práctica de conseguirlo es con camillas y compresores a base de rejillas. Camillas y compresores se caracterizan por su dispersión. Con dispersión negativa , la luz con frecuencias más altas (longitudes de onda más cortas) tarda menos tiempo en viajar a través del dispositivo que la luz con frecuencias más bajas (longitudes de onda más largas). Con la dispersión positiva ocurre al revés. En un CPA, las dispersiones de la camilla y del compresor deben anularse. Debido a consideraciones prácticas, el compresor (de alta potencia) generalmente se diseña con dispersión negativa y, por lo tanto, la camilla (de baja potencia) se diseña con dispersión positiva.
En principio, la dispersión de un dispositivo óptico es una función , donde es el retardo de tiempo que experimenta un componente de frecuencia . (A veces se utiliza la fase , donde c es la velocidad de la luz y es la longitud de onda). Cada componente de toda la cadena desde el láser de semilla hasta la salida del compresor contribuye a la dispersión. Resulta difícil ajustar las dispersiones del bastidor y del compresor de modo que los pulsos resultantes sean más cortos que aproximadamente 100 femtosegundos. Para ello, pueden ser necesarios elementos dispersivos adicionales.
La Figura 1 muestra la configuración de rejilla más simple, donde los componentes de longitud de onda larga viajan una distancia mayor que los componentes de longitud de onda corta (dispersión negativa). A menudo, solo se utiliza una rejilla, con espejos adicionales, de modo que el haz incide en la rejilla cuatro veces en lugar de dos, como se muestra en la imagen.
Esta configuración se utiliza normalmente como compresor, ya que no involucra componentes transmisivos que podrían provocar efectos secundarios no deseados cuando se trata de pulsos de alta intensidad. La dispersión se puede ajustar fácilmente cambiando la distancia entre las dos rejillas. La dispersión introducida por un compresor de este tipo a menudo se describe en órdenes de dispersión: dispersión de retardo de grupo (GGD), tercer orden de dispersión (TOD), etc. La Figura 2 muestra los órdenes de dispersión para un compresor de rejilla con una densidad de ranura de , un ángulo de incidencia de , y una separación de rejilla normal de , como se describe en el diseño original de Donna Strickland y Gérard Mourou (1985), [2] y evaluado utilizando el formalismo óptico de Lah-Laguerre , una formulación generalizada de los órdenes superiores de dispersión. [5] [6]
La Figura 3 muestra una configuración de rejilla más complicada que involucra elementos de enfoque, aquí representados como lentes. Las lentes se colocan a cierta distancia entre sí (actúan como un telescopio 1:1) y a cierta distancia de las rejillas. Si , el montaje actúa como un bastidor de dispersión positiva y si , es un bastidor de dispersión negativa . El estuche se utiliza para dar forma al pulso de femtosegundo . Normalmente, el elemento de enfoque es un espejo esférico o cilíndrico en lugar de una lente. Al igual que con la configuración de la Figura 1, es posible utilizar un espejo adicional y utilizar una única rejilla en lugar de dos separadas. Esta configuración requiere que el diámetro del haz sea muy pequeño en comparación con la longitud del telescopio; de lo contrario se introducirán aberraciones indeseables. Por esta razón, normalmente se utiliza como camilla antes de la etapa de amplificación, ya que los pulsos de semillas de baja intensidad pueden colimarse en un haz de pequeño diámetro.
Es posible utilizar prismas en lugar de rejillas como elementos dispersivos, como en la Figura 4. A pesar de un cambio tan simple, la configuración se comporta de manera bastante diferente, ya que en el primer orden no se introduce dispersión de retardo de grupo. Un bastidor/compresor de este tipo puede tener una dispersión tanto positiva como negativa, dependiendo de la geometría y las propiedades del material de los prismas. Con lentes, el signo de la dispersión se puede invertir, similar a la Figura 3. Para una distancia dada entre los elementos dispersivos, los prismas generan mucha menos dispersión que las rejillas. A veces se combinan prismas y rejillas para corregir una dispersión de orden superior ("grismas"), en cuyo caso la distancia entre los prismas es del orden de 10 metros en lugar de 50 cm como ocurre con un compresor de rejilla. Las rejillas pierden potencia en los otros órdenes, mientras que los prismas pierden potencia debido a la dispersión de Rayleigh . Como ejemplo, los órdenes de dispersión de un compresor de par de prismas de sílice fundida se ilustran en la Figura 5 para una profundidad de inserción variable del primer prisma . La dispersión se evalúa para pulsos láser con un ancho de banda espectral de , utilizando el formalismo óptico de Lah-Laguerre , una formulación generalizada de los órdenes superiores de dispersión. [5] [6] Los parámetros del compresor en un ángulo de incidencia cercano a Brewster son: distancia normal entre los prismas de , profundidad de inserción del segundo prisma y ángulo de vértice de los prismas de sílice fundida . Los valores particulares dependen del material del prisma, la longitud de onda de interés y los parámetros del compresor.
Los pulsos chirriados de los amplificadores láser pueden bloquearse en fase mediante la reflexión de un espejo conjugador de fase [7] para aumentar el brillo como . Para este propósito es relevante la conjugación de fase Kerr de mezcla degenerada de cuatro ondas . [8]
Se pueden utilizar algunas otras técnicas para estirar y comprimir pulsos, pero no son adecuadas como estirador/compresor principal en CPA debido a su cantidad limitada de dispersión y debido a su incapacidad para manejar pulsos de alta intensidad.
El CPA se utiliza en todos los láseres de mayor potencia (más de aproximadamente 100 teravatios ) del mundo, con la excepción de la Instalación Nacional de Ignición de ≈500 TW . Algunos ejemplos de estos láseres son el láser Vulcan en la Instalación Central de Láser del Laboratorio Rutherford Appleton , el láser Diocles en la Universidad de Nebraska-Lincoln , el láser GEKKO XII en las instalaciones GEKKO XII en el Instituto de Ingeniería Láser de la Universidad de Osaka , el láser OMEGA EP en el Laboratorio de Energética Láser de la Universidad de Rochester y la línea de petavatios ahora desmantelada del antiguo láser Nova en el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore . Gérard Mourou ha propuesto utilizar CPA para generar pulsos láser de alta energía y baja duración para transmutar material altamente radiactivo (contenido en un objetivo) y reducir significativamente su vida media, de miles de años a solo unos pocos minutos. [9] [10]
Además de estos sistemas de investigación de última generación, varios fabricantes comerciales venden CPA basados en Ti:zafiro con potencias máximas de 10 a 100 gigavatios.
