Ändern Sie die Pulsgeschwindigkeit des superstarken Ultrakurzpulslasers

Ändern Sie die Pulsgeschwindigkeit desextrem starker ultrakurzer Laser

Super-Ultrakurzpulslaser bezeichnen im Allgemeinen Laserpulse mit Pulsdauern im Bereich von zehn bis hundert Femtosekunden, Spitzenleistungen im Terawatt- und Petawattbereich und einer fokussierten Lichtintensität von über 10¹⁸ W/cm². Super-Ultrakurzpulslaser und die von ihnen erzeugten Hochenergie-Strahlungsquellen sowie Hochenergie-Teilchenquellen bieten ein breites Anwendungsspektrum in vielen Bereichen der Grundlagenforschung, wie z. B. Hochenergiephysik, Teilchenphysik, Plasmaphysik, Kernphysik und Astrophysik. Die Forschungsergebnisse können wiederum relevanten Hightech-Industrien, dem Gesundheitswesen, der Umwelt- und Energiewirtschaft sowie der nationalen Verteidigung zugutekommen. Seit der Erfindung der Chirped-Pulse-Amplification-Technologie im Jahr 1985 und der Entwicklung des weltweit ersten Schwebungs-Watt-Lasers…LaserSeit der Entwicklung des weltweit ersten 10-Watt-Lasers im Jahr 1996 und der Fertigstellung des ersten 10-Watt-Lasers im Jahr 2017 lag der Fokus bei ultrakurzen Lasern in der Vergangenheit hauptsächlich auf der Erzeugung des „intensivsten Lichts“. Neuere Studien haben jedoch gezeigt, dass bei gleichbleibender Pulsdauer und kontrollierter Pulsgeschwindigkeit ultrakurzer Laser in einigen physikalischen Anwendungen mit halbiertem Aufwand die doppelte Leistung erzielt werden kann. Dies dürfte eine Verkleinerung der ultrakurzen Laser ermöglichen.Lasergeräte, sondern seine Wirkung in Hochfeld-Laserphysikexperimenten zu verbessern.

Verzerrung der Pulsfront eines ultrastarken ultrakurzen Lasers
Um die Spitzenleistung bei begrenzter Energie zu erzielen, wird die Pulsbreite durch Vergrößerung der Verstärkungsbandbreite auf 20–30 Femtosekunden reduziert. Die Pulsenergie des aktuellen 10-Watt-Ultrakurzpulslasers beträgt etwa 300 Joule, und die niedrige Zerstörschwelle des Kompressionsgitters führt im Allgemeinen zu einer Strahlöffnung von über 300 mm. Der Pulsstrahl mit einer Pulsbreite von 20–30 Femtosekunden und einer Öffnung von 300 mm ist anfällig für raumzeitliche Kopplungsverzerrungen, insbesondere für Verzerrungen der Pulsfront. Abbildung 1 (a) zeigt die durch die Strahlrollendispersion verursachte raumzeitliche Trennung von Pulsfront und Phasenfront. Erstere weist eine „raumzeitliche Neigung“ relativ zur letzteren auf. Letztere ist die komplexere „Krümmung der Raumzeit“, die durch das Linsensystem hervorgerufen wird. Abb. 1 (b) zeigt die Auswirkungen einer idealen, einer geneigten und einer gekrümmten Pulsfront auf die raumzeitliche Verzerrung des Lichtfelds auf dem Ziel. Infolgedessen wird die Intensität des fokussierten Lichts stark reduziert, was für die Anwendung von ultrakurzen Lasern in starken Feldern nicht förderlich ist.

Abb. 1 (a) die durch das Prisma und das Gitter verursachte Neigung der Impulsfront und (b) der Einfluss der Verzerrung der Impulsfront auf das Raum-Zeit-Lichtfeld am Zielobjekt

Pulsgeschwindigkeitsregelung von ultrastarkUltrakurzzeitlaser
Derzeit haben Bessel-Strahlen, die durch konische Überlagerung ebener Wellen erzeugt werden, in der Hochfeldlaserphysik Anwendung gefunden. Besitzt ein konisch überlagerter gepulster Strahl eine axialsymmetrische Pulsfrontverteilung, so kann die geometrische Intensität des erzeugten Röntgenwellenpakets (siehe Abbildung 2) konstant überlichtschnell, konstant unterlichtschnell, beschleunigt überlichtschnell oder verlangsamt unterlichtschnell sein. Selbst die Kombination eines deformierbaren Spiegels mit einem räumlichen Phasenmodulator ermöglicht die Erzeugung beliebiger räumlicher und zeitlicher Formen der Pulsfront und damit die Steuerung der Transmissionsgeschwindigkeit. Dieser physikalische Effekt und die zugehörige Modulationstechnik wandeln die „Verzerrung“ der Pulsfront in deren „Kontrolle“ um und ermöglichen so die Modulation der Transmissionsgeschwindigkeit von ultrastarken, ultrakurzen Lasern.

Abb. 2 Die durch Superposition erzeugten (a) konstanten Überlicht-, (b) konstanten Unterlicht-, (c) beschleunigten Überlicht- und (d) verzögerten Unterlicht-Lichtimpulse befinden sich im geometrischen Zentrum des Superpositionsbereichs.

Obwohl die Entdeckung der Pulsfrontverzerrung vor der Entwicklung von Ultrakurzpulslasern erfolgte, rückte sie parallel zu deren Entwicklung immer stärker in den Fokus. Lange Zeit behinderte sie die Realisierung des Kernziels von Ultrakurzpulslasern – extrem hohe fokussierte Lichtintensität – und Forscher arbeiteten an der Unterdrückung oder Beseitigung verschiedener Formen der Pulsfrontverzerrung. Heute, da sich die „Pulsfrontverzerrung“ zur „Pulsfrontkontrolle“ weiterentwickelt hat, ist es möglich, die Transmissionsgeschwindigkeit von Ultrakurzpulslasern zu regulieren und eröffnet damit neue Wege und Möglichkeiten für deren Anwendung in der Hochfeldlaserphysik.