La amplificación de pulso chirriante ( CPA ) es una técnica para amplificar un pulso láser ultracorto hasta el nivel de petavatios , en la que el pulso láser se estira temporalmente y espectralmente, luego se amplifica y luego se comprime nuevamente. [1] El estiramiento y la compresión utilizan dispositivos que garantizan que los diferentes componentes de color del pulso recorran diferentes distancias.
El CPA para láseres fue introducido por Donna Strickland y Gérard Mourou en la Universidad de Rochester a mediados de la década de 1980, [2] trabajo por el cual recibieron el Premio Nobel de Física en 2018. [3]
CPA es la técnica utilizada por la mayoría de los láseres de alta potencia del mundo.
Antes de la introducción de la CPA a mediados de los años 1980, la potencia pico de los pulsos láser estaba 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 superar las intensidades de 700 GW/cm2 , que si se les permite propagarse en el aire o en el medio de ganancia del láser se autoenfocarían instantáneamente y formarían un plasma o causarían la propagación del filamento , lo que arruinaría las cualidades deseables del rayo original e incluso podría causar una retrorreflexión que dañaría potencialmente 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 pico de los pulsos láser estaba limitada al alto nivel de gigavatios o teravatios para instalaciones multihaz muy grandes.
En la CPA, por otro lado, un pulso láser ultracorto se estira en el tiempo antes de introducirlo en el medio de ganancia utilizando un par de rejillas que están dispuestas de modo que el componente de baja frecuencia del pulso láser recorra un camino más corto que el componente de alta frecuencia. Después de pasar por el par de rejillas, el pulso láser se vuelve positivo , es decir, el componente de alta frecuencia se retrasa con respecto al componente de baja frecuencia y tiene una duración de pulso más larga que el original por un factor de 1000 a 1000.100 000 .
A continuación, el pulso estirado, 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 amplificación y se amplifica por un factor de un millón o más. Por último, el pulso láser amplificado se vuelve a comprimir hasta el ancho de pulso original mediante la inversión del proceso de estiramiento, lo que permite alcanzar una potencia de pico órdenes de magnitud superior a la que podían generar los sistemas láser antes de la invención del CPA.
Además de la mayor potencia de pico, el CPA permite miniaturizar los sistemas láser (el compresor es la parte más grande). Un láser compacto de alta potencia, conocido como láser de teravatios de sobremesa (láser T 3 , que normalmente ofrece1 julio de energía dentro1 picosegundo ), se pueden crear basándose en la técnica CPA. [4]
Existen varias formas de construir compresores y extensores. Sin embargo, un amplificador de pulso chirped típico 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 recorrido. La forma más práctica de lograr esto es con compresores y extensores basados en rejillas. Los compresores y extensores 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 dispersión positiva , es al revés. En un CPA, las dispersiones del extensor y el compresor deben cancelarse. Debido a consideraciones prácticas, el compresor (de alta potencia) generalmente se diseña con dispersión negativa y, por lo tanto, el extensor (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 experimentado por 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 en toda la cadena desde el láser semilla hasta la salida del compresor contribuye a la dispersión. Resulta difícil ajustar las dispersiones del tensor y el compresor de modo que los pulsos resultantes sean más cortos que unos 100 femtosegundos. Para esto, pueden necesitarse elementos dispersivos adicionales.
La figura 1 muestra la configuración de rejilla más simple, en la que los componentes de longitud de onda larga recorren una distancia mayor que los componentes de longitud de onda corta (dispersión negativa). A menudo, se utiliza una sola 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 implica componentes transmisivos que podrían provocar efectos secundarios no deseados al tratar con pulsos de alta intensidad. La dispersión se puede ajustar fácilmente modificando la distancia entre las dos rejillas. La dispersión introducida por un compresor de este tipo se describe a menudo 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 surcos 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 se evalúa utilizando el formalismo óptico de Lah-Laguerre , una formulación generalizada de los altos órdenes 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 una distancia entre sí (actúan como un telescopio 1:1) y a una distancia de las rejillas. Si , la configuración actúa como un ensanchador de dispersión positiva y si , es un ensanchador de dispersión negativa . El caso se utiliza en la conformación de pulsos de femtosegundos . Por lo general, 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 sola 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 ensanchador antes de la etapa de amplificación, ya que los pulsos semilla de baja intensidad se pueden colimar a un haz con un diámetro pequeño.
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 compresor/expansor de este tipo puede tener una dispersión positiva o negativa, dependiendo de la geometría y las propiedades del material de los prismas. Con lentes, el signo de la dispersión se puede invertir, de manera similar a la Figura 3. Para una distancia dada entre los elementos dispersivos, los prismas generan mucha menos dispersión que las rejillas. Los prismas y las rejillas a veces se combinan para corregir la 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 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 pares de prismas de sílice fundida se ilustran en la Figura 5 para la profundidad de inserción variable del primer prisma . La dispersión se evalúa para pulsos láser en con un ancho de banda espectral de , utilizando el formalismo óptico de Lah-Laguerre , una formulación generalizada de los altos órdenes de dispersión. [5] [6] Los parámetros del compresor en un ángulo de incidencia cercano al de Brewster son: distancia normal entre los prismas de , profundidad de inserción del segundo prisma en y un ángulo del 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 chirriantes de los amplificadores láser pueden bloquearse en fase mediante la reflexión desde un espejo conjugador de fase [7] para aumentar el brillo como . Para este propósito, la conjugación de fase de Kerr de mezcla degenerada de cuatro ondas es relevante. [8]
Se pueden utilizar otras técnicas para estirar y comprimir pulsos, pero éstas no son adecuadas como estirador/compresor principal en CPA debido a su cantidad limitada de dispersión y a su incapacidad para manejar pulsos de alta intensidad.
El CPA se utiliza en todos los láseres de mayor potencia (superiores a unos 100 teravatios ) del mundo, con la excepción del National Ignition Facility de ≈500 TW . Algunos ejemplos de estos láseres son el láser Vulcan en la Central Laser Facility del Rutherford Appleton Laboratory , el láser Diocles en la University of Nebraska-Lincoln , el láser GEKKO XII en la instalación GEKKO XII del Institute for Laser Engineering de la Osaka University , los láseres OMEGA y OMEGA EP en el Lab for Laser Energetics de la University of Rochester y la línea de petavatios ahora desmantelada del antiguo láser Nova en el Lawrence Livermore National Laboratory . Gérard Mourou ha propuesto utilizar el CPA para generar pulsos láser de alta energía y baja duración para transmutar material altamente radiactivo (contenido en un objetivo) para reducir significativamente su vida media, de miles de años a solo unos 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.
