Alta eficiência e amplificação de baixo ruído de pulsos ultracurtos por amplificação quase paramétrica
No CPA, a bomba amplifica o sinal através de um sistema de meio de ganho de nível de energia no qual uma das transições é não radiativa. Este tipo de amplificação a laser tem uma alta eficiência da bomba ao sinal e uma largura de banda de ganho relativamente estreita. No OPCPA, a bomba amplifica o sinal através da interação paramétrica e simultaneamente gera a onda intermediária. OPCPA pode ser de banda larga manipulando a condição de correspondência de fase, mas sofre de uma eficiência relativamente baixa devido à conversão reversa. QPCPA é uma variação do OPCPA dissipando o rolete com forte absorção de cristal. A dissipação do rolete obstrui o efeito de conversão de volta e permite alta eficiência e grande largura de banda. Crédito:Jingui Ma et al
Desde a primeira demonstração de amplificação de pulso chirped (CPA) e amplificação de pulso chirped paramétrico óptico (OPCPA), os lasers de femtossegundos foram capazes de fornecer potências de pico ultra-altas de até dez petawatts (PW), abrindo caminho para aceleradores de partículas compactos e fontes de raios X.
Para aumentar ainda mais as potências de pico, são necessários esquemas de amplificação a laser com alta eficiência de conversão e grande largura de banda. No entanto, os amplificadores a laser CPA sofrem de largura de banda de ganho relativamente estreita, enquanto os OPCPAs sofrem de eficiência de sinal relativamente baixa ou esgotamento da bomba devido à conversão reversa.
Em um novo artigo publicado em
Light:Science &Applications , uma equipe de cientistas, liderada pela professora Liejia Qian do Key Laboratory for Laser Plasmas (MOE), School of Physics and Astronomy, Shanghai Jiao Tong University, China, e colaboradores demonstraram um esquema de ultra-alta eficiência e baixo ruído de amplificação de pulso de chirped quasi-parametric (QPCPA), que é uma variação de OPCPA dissipando o intermediário com forte absorção de cristal.
A dissipação do rolete obstrui o efeito de conversão reversa e permite o desempenho QPCPA de alta eficiência, grande largura de banda e robustez contra incompatibilidade de fase. Eles demonstraram experimentalmente 56% de eficiência energética para um sinal de 810 nm convertido de uma bomba de 532 nm, ou equivalentemente 85% de esgotamento da bomba. Tal depleção recorde suprimiu bastante o ruído de superfluorescência paramétrica (PSF) no QPCPA para apenas ~10
-6
em relação à energia do sinal amplificado.
Em seu experimento, um cristal Sm:YCOB de 8 cm foi usado com a orientação para o coeficiente não linear maximizado, que era transparente tanto para a bomba quanto para o sinal, mas opaco para o rolete. Sob uma intensidade de bomba de 3 GW cm
−2
, a maior eficiência de sinal de 56% foi alcançada com uma intensidade de semente de ~7 MW cm
−2
, correspondendo a uma depleção da bomba de 85%.
A depleção da bomba QPCPA demonstrada foi aproximadamente 2,5 vezes maior que a do OPCPA. O forte esgotamento da bomba pela amplificação de sinal eficiente suprimiu significativamente a geração de ruído PSF. Dentro da maior saída de sinal de ~65 mJ, a energia de ruído PSF medida foi tão baixa quanto ~10 μJ. O contraste do pulso após a compressão deve ser de aproximadamente 10
9
.
a, Esquema do esquema QPCPA. A bomba em 532 nm amplifica o sinal em 810 nm e simultaneamente gera o intermediário em 1550 nm. O rolete gerado tem uma absorção pelos íons de terras raras dopados Sm³⁺. b, Eficiência de bomba para sinal e depleção de bomba versus intensidade de semente sob uma intensidade de bomba de ~3 GW cm⁻². c, Perfis de pulso da bomba (preto), sinal amplificado em intensidades de semente de 7 MW cm⁻² (vermelho sólido, ponto Ⅰ marcado em b) e 2,5 W cm⁻² (vermelho tracejado, ponto Ⅱ marcado em b). A área sombreada mostra o perfil de pulso chirped (espectro) da semente de sinal. O sinal sonoro é de 40 ps nm⁻¹. d, Evolução da energia de superfluorescência paramétrica (PSF) (quadrados e círculos pretos) e ganho de sinal pequeno (círculos azuis). Crédito:Jingui Ma et al
O Prof. Ma, o primeiro autor, explicou por que eles denominaram tal processo de amplificação "quase-paramétrica":"O processo QPCPA é muito interessante. semelhante à amplificação a laser 'não paramétrica'. No entanto, no regime de amplificação de pequenos sinais, herda todos os comportamentos paramétricos do OPCPA. O QPCPA combina os méritos dos processos paramétricos e não paramétricos."
"Como o efeito de retroconversão é completamente obstruído, o QPCPA também é robusto contra descasamento de fase. Isso significa que o QPCPA é insensível à variação do direcionamento do feixe da bomba e à temperatura ambiente. Isso beneficia a operação de alta taxa de repetição do QPCPA," ele adicionou.
"Com seu produto muito grande de eficiência e largura de banda, o esquema QPCPA baseado em um cristal Sm:YCOB de tamanho grande pode suportar uma potência de pico de até 50 PW usando a mesma energia de bomba das atuais instalações de laser de dez petawatts, então QPCPA pode ser um candidato qualificado para empurrar os lasers ultraintensos além do limite atual de dez petawatts", disse o Prof. Ma.
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