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    走近歐洲超強激光裝置:ELI系列(4)

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    一、ELI-ALPS:一級光源超短脈沖激光

    自由電子激光器、同步輻射等光源在國際上十分普遍,這些光源提供獨特參數的光給用戶使用。在這些光源工作的科學家有一大部分是激光專家,而用戶很多來自化學、生物、凝聚態物理等領域。這些用戶在大型光源預約Beam Time,然后光源會給出一個固定的時間讓他們做實驗。

    基于高次諧波的阿秒光源,目前為止,主要是由各個實驗室,各個單獨的PI來運行,體積小Table-Top是它的一個優點,科學家們可以在自己的實驗室做實驗,這樣就沒有Beam Time時間的限制。

    但是,一方面,阿秒脈沖的參數的進一步提高,伴隨著激光器的性能的進一步增強,所導致人力成本和資金成本的進一步攀升;另一方面,阿秒時間分辨的試驗裝置的復雜程度也在進一步變高,使得非激光專業的人獨立開展試驗的難度加大。

    這個問題有兩個解決方案,一是由單PI小組,變成多個研究小組的(研究所/研究中心)聯合形式,比如德國柏林的馬克思波恩非線性光學研究所(Max Born Institute – MBI),激光裝置、實驗裝置和用戶都是自己。另一個就是ELI-ALPS,借鑒自由電子激光器、同步輻射的方案,提供阿秒光源給外部用戶使用。

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    圖1 國際上研究機構使用的超短脈沖激光,這些激光被用來產生高通量高重頻阿秒光源。


    圖1給出了目前國際上幾個研究機構的超短脈沖激光的參數,可以看見,MBI擁有重復頻率100kHz單脈沖能量100uJ這樣的超短脈沖激光。這里要指出,表中給出的研究單位是不全的,比如瑞典的Lund University也擁有類似參數的激光器。對于泵浦探測試驗,科學家們希望的是高的光通量,因此,希望單脈沖能量盡量高,這就是圖1中左上角的區域;對于Coincidence Measurement,科學家們希望比較弱的單發激光強度以得到比較干凈的實驗數據,但是,過弱的激光會導致信噪比很低,因此,需要在同樣的時間內記錄足夠多的樣本數,也就是說,需要高的激光重復頻率,這就是圖1中右下角的部分。

    總的來說,ELI-ALPS的激光系統的總體目標是在單脈沖能量足夠的前提下,提高重復頻率。動機很簡單,重復頻率越高,意味著每秒鐘得到的脈沖就越多,這樣同一個實驗花的時間就越少。比如,1kHz系統100天能完成的試驗,使用100kHz系統,1天就完成了。圖1中給出了ELI-ALPS中不同激光系統的大體參數空間,下面會分別作介紹。

    1.1 High repetition rate laser system (高重頻激光系統) 

    這套激光的單脈沖能量在mJ量級,重復頻率100kHz,具體參數見表1;目前類似的商用激光激光參數是,1kHz,幾個mJ. 

    圖2給出了這套激光的結構圖。CEP穩定的fiber oscillator給出80MHz,中心波長在1030 nm,單脈沖能量nJ量級的激光;聲光調制器將重頻降至100kHz,經過量級預放(pre-amplifier systems, LPF-large pitch fibers, 65um core diameter), 單脈沖能量放大至0.1uJ;經過光柵展寬器,展寬至2ns,在經過8通道的光纖放大器,每個LPF放大通道使用80W的泵浦激光,8個通道的激光最后相干合成為一束,并經過壓縮器,得到200fs,3mJ的激光,在經過兩級的空心光纖壓縮器,最后可以得到1mJ量級、100kHz的周期量級超短脈沖激光。未來單脈沖能量將被升級至5mJ。

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    表1. 高重頻激光激光的激光參數

    圖35.jpg圖35.jpg

    圖2 高重頻激光系統


    1.2 Single cycle laser system (單周期激光系統)

    第二套激光系統的參數見表2,這套系統最后可以得到單脈沖45mJ的周期量級的激光,重復頻率1kHz;目前市場上的類似系統參數是1kHz,幾個mJ.

    結構見圖3,Yb-based oscillator 和再生放大器組成fs-CPA,產生1.5mJ(1030 nm)的激光作為前級;振蕩器分出一部分1064 nm作為皮秒泵浦激光的種子;再生放大器出射激光的10%注入fs-OPA,產生CEP穩定的1.3~1.5um 的idler作為fs-NOPA的種子; fs-NOPA的輸出光經過棱柵和Dazzler組成的展寬器,被展寬至75ps(0.5uJ);接下來進過多級BBO-Based NOPA系統,被放大;經過壓縮以后,可以得到45mJ,小于10fs的激光。

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    表2. 單周期激光系統的參數

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    圖3. 單周期激光系統結構圖


    1.3 High Field laser system (強場激光系統)

    激光參數見表3,參數是2PW,10Hz; 目前國內和國際上已有多套PW系統,大多重復頻率較低。這里要指出的是,ELI-ALPS的關注目標是原子、分子體系,也就是核外,所需要的激光光強并不是很高,因此,對于PW級別的激光,目標是提高重復頻率,而不是提高單脈沖能量。ELI的另外幾個pillars,比如Nuclear Physics,會要求更高的激光功率。

    ,前級激光和傳統的鈦寶石方案有所不同。光纖激光器得到2mJ, 1030nm,sub-ps的激光脈沖;其中的一部分產生白光超連續,并且使用差頻的方法得到CEP穩定的激光,倍頻得到1600nm的激光,經過OPA放大以后,再倍頻,得到800nm激光。

    第一套強場激光系統HF-PW,前級的一部分激光經過基于鈦寶石的OPCPA系統,最后得到10Hz,2PW的激光,結構參見圖4。

    另一套激光系統HF-100,目前還在設計階段,很可能使用OPCPA, polarization encoded CPA Scheme和thin disk Ti:Sapphire的混合方案,結構參見圖4。

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    表3. 強場激光系統的參數 

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    圖4 強場激光系統結構圖


    1.4 Mid-infrared laser system (中紅外激光系統)

    這套激光系統參數見表4,輸出3um,100kHz,單脈沖能量150uJ。結構見圖5,光纖振蕩器的種子進入兩套放大系統,一是基于光線的CPA系統(Yb FCPA)(300 fs, 200uJ),另外一套是二極管泵浦的全固態激光器(DPSSL)(1 ps, 2 mJ). 第一套放大器通過差頻的方式產生CEP穩定的3um激光,然后再被第二套放大器放大,得到3um, 100kHz, 150 uJ的激光。同時還輸出CEP浮動的1.4~1.75 um, sub-100fs, 100uJ的激光。 

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    表4 中紅外激光系統參數

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    圖5 中紅外激光系統結構圖


    二、ELI-ALPS:二級光源阿秒脈沖

    ELI-ALPS的目標是提供高重頻、高通量、穩定的阿秒脈沖給用戶使用,并不追求阿秒脈沖的極端參數。在前面提到過,目前阿秒脈沖光子能量可以達到數千電子伏特,脈沖寬度幾十阿秒;ELI-APLS的目標參數是百電子伏特和幾百阿秒。

    ELI-ALPS實驗室的結構見圖6,高重頻激光HR,中紅外激光MIR,單周期激光SYLOS,THz激光,強場激光HF都位于單獨的房間內,二級阿秒光源和實驗區域主要分成三部分,(1)利用HR和SYLOS的氣體高次諧波(GHHG); (2) 利用SYLOS的電子源(e-)和表面等離子體高次諧波(SHHG); (3)利用強場激光的粒子源和表面等離子體高次諧波. 圖7給出了一級光源、二級光源和后續的應用.

    表5給出了不同裝置產生的XUV、X-ray脈沖的比較,可以看見,自由電子激光器FEL的優勢是高的光通量,單脈沖能量能夠達到100uJ量級;而高次諧波HHG的優勢是脈沖短,百阿秒到幾十阿秒量級。

    利用ELI-ALPS的阿秒光源,科學家們能利用各種測量手段以及進行超快動力學探測。這些測量裝置有Reaction microscope(ReMi, also known as cold target recoil ion momentum spectrometer COLTRIMS)、photoelectron emission microscope (PEEM)、Angle-resolved photoemission spectroscopy(ARPES)可、Velocity map imaging spectrometers (VMI)和Magnetic bottle electron spectrometer等等。

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    圖6 ELI-ALPS的激光系統和阿秒實驗室


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    圖7 ELI-ALPS的一級激光光源、二級阿秒光源和后續應用


    圖44.jpg

    表5 同步輻射(Sychrotrons)、自由電子激光器(FEL)、現有的氣體高次諧波(GHHG)、和ELI-ALPS的三條束線產生的XUV、X-Ray的比較


    三、總結

    ELI-ALPS提供獨特的一級激光光源和二級阿秒脈沖,高重頻、高通量和穩定,這些特點將有利于超快動力學實驗的開展。

    筆者最后想提及一下國內的超快領域。北京、上海、西安、武漢等地,也在建設各種阿秒光源。阿秒光源(深紫外~軟X射線)的基礎是高性能的超快超強激光(可見~紅外波段)和相匹配的光學元器件,目前,國外產品占國內市場的比重比較高。

    從科學研究上說,中國將會擁有和世界上先進國家同樣甚至性能更好的用戶裝置,提供給國內和國際上的科學家使用,但這并不代表著中國在超快領域趕上了發達國家,不少核心設備依然來自于國外?;蛟S,大裝置的建設過程需要做一個平衡。裝置需要在有限的時間內建成并且投入使用,所以在設備的選擇上面,需要購買成熟、性能達到要求的國外產品。另一方面,如同ELI-ALPS給了不少歐洲激光公司發展技術的機會,國內的這些裝大型裝置,也應該能夠留下一些空間給國內的公司。



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