تضخيم النبضات المتغيرة التردد

تضخيم النبضات المتغيرة التردد ( CPA ) هو أسلوب لتضخيم نبضة ليزر فائقة القصر حتى مستوى البيتاواط ، حيث يتم تمديد نبضة الليزر زمنيًا وطيفيًا، ثم تضخيمها، ثم ضغطها مرة أخرى. ^{[ 1 ]} تستخدم عملية التمديد والضغط أجهزة تضمن أن تقطع مكونات الألوان المختلفة للنبضة مسافات مختلفة.

تم تقديم تقنية CPA لليزر بواسطة دونا ستريكلاند وجيرارد مورو في جامعة روتشستر في عام 1985، ^{[ 2 ]} وهو العمل الذي حصلوا عليه جائزة نوبل في الفيزياء في عام 2018. ^{[ 3 ]}

تقنية CPA هي التقنية المستخدمة في معظم أجهزة الليزر عالية الطاقة في العالم.

قبل إدخال تقنية تضخيم النبضات المضغوطة (CPA) عام 1985، كانت القدرة القصوى لنبضات الليزر محدودة، لأن نبضة الليزر ذات شدة جيجاوات لكل سنتيمتر مربع تُلحق ضررًا بالغًا بوسط التضخيم من خلال عمليات غير خطية مثل التركيز الذاتي . على سبيل المثال، يمكن لبعض أقوى حزم ليزر CPA المضغوطة، حتى في فتحة كبيرة غير مركزة (بعد خروجها من محزز الضغط)، أن تتجاوز شدتها 700 جيجاوات/سم² ^، والتي إذا سُمح لها بالانتشار في الهواء أو وسط تضخيم الليزر، فإنها ستركز ذاتيًا على الفور مُشكلةً بلازما أو مُسببةً انتشارًا خيطيًا ، وكلاهما يُفسد خصائص الشعاع الأصلية المرغوبة، بل وقد يُسبب انعكاسًا خلفيًا يُحتمل أن يُلحق الضرر بمكونات الليزر. وللحفاظ على شدة نبضات الليزر دون عتبة التأثيرات غير الخطية، كان لا بد من أن تكون أنظمة الليزر كبيرة الحجم ومكلفة، وكانت القدرة القصوى لنبضات الليزر محدودة بمستوى جيجاوات عالٍ أو مستوى تيراوات للمنشآت متعددة الحزم الضخمة جدًا. 

في تقنية تضخيم النبضات المستقطبة (CPA)، من ناحية أخرى، يتم تمديد نبضة ليزر فائقة القصر زمنيًا قبل إدخالها إلى وسط التضخيم باستخدام زوج من المحززات المرتبة بحيث يقطع المكون منخفض التردد لنبضة الليزر مسارًا أقصر من المكون عالي التردد. بعد مرورها عبر زوج المحززات، تصبح نبضة الليزر ذات تردد موجب ، أي أن المكون عالي التردد يتأخر عن المكون منخفض التردد، ويكون لها مدة نبضة أطول من النبضة الأصلية بمعامل 1000 إلى 1000.100000​​

ثم تُدخل النبضة الممتدة، ذات الشدة المنخفضة نسبيًا مقارنةً بحد الشدة البالغ جيجاوات لكل سنتيمتر مربع، بأمان إلى وسط التضخيم وتُضخّم بمقدار مليون ضعف أو أكثر. وأخيرًا، تُضغط نبضة الليزر المُضخّمة مرة أخرى إلى عرض النبضة الأصلي من خلال عكس عملية التمديد، مما يحقق قدرة ذروة أعلى بعدة مراتب مما كانت أنظمة الليزر قادرة على توليده قبل اختراع تقنية تضخيم النبضات المتزامنة (CPA).

إضافةً إلى القدرة القصوى العالية، يُتيح مُضخِّم الطاقة المُدمج (CPA) تصغير أنظمة الليزر (حيث يُشكِّل الضاغط الجزء الأكبر). ويُعرف ليزر عالي الطاقة صغير الحجم باسم ليزر تيراواط مكتبي (T3) ^، والذي يُقدِّم عادةً1 جول  من الطاقة في الداخل يمكن إنشاء (1 بيكو ثانية ) بناءً على تقنية CPA. ^{[ 4 ]}

توجد عدة طرق لتصميم الضواغط والموسعات. مع ذلك، يتطلب مضخم النبضات المُعدَّل التردد النموذجي القائم على بلورة التيتانيوم والياقوت تمديد النبضات إلى عدة مئات من البيكوثانية، ما يعني أن مكونات الطول الموجي المختلفة يجب أن تواجه  فرقًا في طول المسار يبلغ حوالي 10 سم. الطريقة الأكثر عملية لتحقيق ذلك هي استخدام موسعات وضواغط قائمة على محززات حيود. تتميز الموسعات والضواغط بتشتتها. في حالة التشتت السالب ، يستغرق الضوء ذو الترددات الأعلى (الأطوال الموجية الأقصر) وقتًا أقل للانتقال عبر الجهاز مقارنةً بالضوء ذي الترددات الأقل (الأطوال الموجية الأطول). أما في حالة التشتت الموجب ، فيكون العكس صحيحًا. في مضخم النبضات المُعدَّل التردد، يجب أن يلغي تشتت الموسع والضاغط بعضهما بعضًا. ولأسباب عملية، يُصمَّم الضاغط (عالي القدرة) عادةً بتشتت سالب، وبالتالي يُصمَّم الموسع (منخفض القدرة) بتشتت موجب.

من حيث المبدأ، فإن تشتت الجهاز البصري هو دالة${\displaystyle \tau (\omega )}$، أين${\displaystyle \tau }$هو التأخير الزمني الذي يواجهه مكون التردد${\displaystyle \omega }$(أحيانًا المرحلة)${\displaystyle \phi (\omega )=2\pi \tau (\omega )c/\lambda (\omega )}$يُستخدم هذا الرمز، حيث c هي سرعة الضوء و${\displaystyle \lambda }$(حيث يمثل الطول الموجي). يساهم كل مكون في سلسلة النبضات، بدءًا من ليزر البذرة وصولًا إلى مخرج الضاغط، في التشتت. وقد تبين صعوبة ضبط تشتتات جهاز التمديد والضاغط بحيث تكون النبضات الناتجة أقصر من 100 فيمتوثانية تقريبًا. ولتحقيق ذلك، قد يلزم استخدام عناصر تشتيت إضافية.

يوضح الشكل 1 أبسط تكوين للشبكة، حيث تقطع مكونات الموجات الطويلة مسافة أكبر من مكونات الموجات القصيرة (تشتت سلبي). غالبًا ما تُستخدم شبكة واحدة فقط، مع مرايا إضافية بحيث يصطدم الشعاع بالشبكة أربع مرات بدلًا من مرتين كما هو موضح في الصورة.

يُستخدم هذا الإعداد عادةً كضاغط لأنه لا يتضمن مكونات ناقلة قد تؤدي إلى آثار جانبية غير مرغوب فيها عند التعامل مع نبضات عالية الكثافة. يمكن ضبط التشتت بسهولة عن طريق تغيير المسافة بين الشبكتين. غالبًا ما يُوصف التشتت الناتج عن هذا الضاغط برتب التشتت: تشتت تأخير المجموعة (GDD)، رتبة التشتت الثالثة (TOD)، إلخ. يوضح الشكل 2 رتب التشتت لضاغط شبكي بكثافة أخاديد تبلغ${\displaystyle \sigma =1700\;\mathrm {lines/mm} }$زاوية سقوط تبلغ${\displaystyle \theta _{in}=65^{\circ }}$، وفصل محزز عادي يبلغ${\displaystyle L=25\;\mathrm {cm} }$كما هو موضح في التصميم الأصلي من قبل دونا ستريكلاند وجيرار مورو (1985)، ^{[ 2 ]} وتم تقييمه باستخدام الصيغة البصرية لاه-لاغير - وهي صيغة معممة للرتب العليا من التشتت. ^{[ 5 ] [ 6 ]}

يوضح الشكل 3 تكوينًا أكثر تعقيدًا للشبكة يتضمن عناصر تركيز، موضحة هنا على شكل عدسات. توضع العدسات على مسافة${\displaystyle 2f}$عن بعضها البعض (فهي تعمل كتلسكوب بنسبة 1:1)، وعلى مسافة${\displaystyle L}$من الشبكات. إذا${\displaystyle L<f}$، يعمل هذا الإعداد كموسع تشتت إيجابي، وإذا${\displaystyle L>f}$إنه جهاز تمديد ذو تشتت سلبي .${\displaystyle L=f}$تُستخدم هذه التقنية في تشكيل نبضات الفيمتو ثانية . عادةً، يكون عنصر التركيز مرآة كروية أو أسطوانية بدلاً من عدسة. وكما هو الحال في التكوين الموضح في الشكل 1، يُمكن استخدام مرآة إضافية وشبكة حيود واحدة بدلاً من اثنتين منفصلتين. يتطلب هذا الإعداد أن يكون قطر الحزمة صغيرًا جدًا مقارنةً بطول التلسكوب؛ وإلا ستظهر انحرافات غير مرغوب فيها. لهذا السبب، يُستخدم عادةً كموسع قبل مرحلة التضخيم، حيث يُمكن تجميع نبضات البذرة منخفضة الشدة في حزمة ذات قطر صغير.

من الممكن استخدام الموشورات بدلاً من المحززات كعناصر تشتيت، كما هو موضح في الشكل 4. على الرغم من هذا التغيير البسيط، إلا أن النظام يتصرف بشكل مختلف تمامًا، حيث لا يُحدث تشتت تأخير المجموعة من الرتبة الأولى. يمكن أن يكون لهذا المُمدد/الضاغط تشتت موجب أو سالب، اعتمادًا على هندسة الموشورات وخصائص مادتها. مع العدسات، يمكن عكس إشارة التشتت، كما هو موضح في الشكل 3. بالنسبة لمسافة معينة بين عناصر التشتيت، تُولد الموشورات تشتتًا أقل بكثير من المحززات. أحيانًا يتم دمج الموشورات والمحززات لتصحيح التشتت من الرتب العليا ("الموشورات الموشورية")، وفي هذه الحالة تكون المسافة بين الموشورات في حدود 10 أمتار بدلاً من 50  سم كما هو الحال مع ضاغط المحزز. تفقد المحززات الطاقة في الرتب الأخرى، بينما تفقد الموشورات الطاقة بسبب تشتت رايلي . على سبيل المثال، يوضح الشكل 5 رتب التشتت لضاغط زوج من الموشورات المصنوعة من السيليكا المنصهرة لعمق إدخال متغير للموشور الأول.${\displaystyle \ell _{1}}$يتم تقييم التشتت لنبضات الليزر عند${\displaystyle 780{\text{ nm}}}$بعرض نطاق طيفي يبلغ${\displaystyle \Delta \lambda =30{\text{ nm}}}$باستخدام الصيغة البصرية لاه-لاغير - وهي صيغة معممة للرتب العليا من التشتت. ^{[ 5 ] [ 6 ]} معلمات الضاغط عند زاوية سقوط قريبة من زاوية بروستر هي: المسافة العمودية بين موشورات${\displaystyle L=30{\text{ cm}}}$عمق إدخال الموشور الثاني${\displaystyle \ell _{2}={\text{1 mm}}}$في ${\displaystyle \lambda _{دقيقة}}$وزاوية رأس موشورات السيليكا المنصهرة${\displaystyle \alpha =69.06^{\circ }}$تعتمد القيم المحددة على مادة الموشور، والطول الموجي المطلوب، بالإضافة إلى معلمات الضاغط.

نبضات متقطعة من${\displaystyle N}$يمكن تثبيت طور مضخمات الليزر عن طريق الانعكاس من مرآة اقتران الطور ^{[ 7 ]} لزيادة السطوع كما${\displaystyle N^{2}}$ولهذا الغرض، فإن اقتران طور كير في مزج الموجات الأربع المتدهورة ذو صلة. ^{[ 8 ]}

يمكن استخدام بعض التقنيات الأخرى لتمديد وضغط النبضات، لكنها غير مناسبة كأداة التمديد/الضغط الرئيسية في CPA نظرًا لمحدودية تشتتها وعدم قدرتها على التعامل مع النبضات عالية الكثافة.

• يمكن تمديد النبضة ببساطة عن طريق تمريرها عبر لوح سميك من مادة شفافة، مثل  زجاج بسمك 200 مم. وكما هو الحال مع الموشورات، لا يمكن تحقيق سوى قدر محدود من التشتت ضمن الأبعاد العملية المتاحة. خارج نطاق الضوء المرئي، توجد مواد ذات تشتت موجب وسالب. بالنسبة للأطوال الموجية المرئية والأشعة تحت الحمراء القريبة، تتمتع جميع المواد الشفافة تقريبًا بتشتت موجب. مع ذلك، يمكن تعديل تشتت الألياف الزجاجية لتلبية الاحتياجات المطلوبة.
• تسمح انعكاسات مفردة أو متعددة بين زوج من المرايا المتغيرة التردد أو جهاز مماثل بأي شكل من أشكال التردد المتغير. وغالبًا ما يُستخدم هذا بالتزامن مع التقنيات الأخرى لتصحيح الترددات ذات الرتب الأعلى.
• جهاز "دازلر" هو جهاز تجاري لتشكيل النبضات، حيث يتم فيه حيود الضوء من موجة صوتية. ومن خلال ضبط توقيت الموجة الصوتية وترددها وسعتها، يمكن إدخال دوال تشتت عشوائية مع تأخير أقصى يبلغ بضع بيكو ثانية.
• يمكن وضع قناع لتغيير الطور في المستوى البؤري لجهاز التمديد الموضح في الشكل 3، مما يُضيف تشتتًا إضافيًا. قد يكون هذا القناع عبارة عن مصفوفة شاشات LCD ، حيث يُمكن ضبط تغيير الطور بتغيير الجهد الكهربائي على البكسلات. يُمكن لهذا أن يُولّد دوال تشتت عشوائية بحد أقصى بضع عشرات من البيكوثانية من التأخير. يُطلق على هذا الإعداد اسم مُشكِّل النبضات .

يُستخدم تضخيم النبضات المستقطبة (CPA) في جميع الليزرات ذات القدرة العالية (أكثر من 100 تيراواط تقريبًا ) في العالم، باستثناء مرفق الإشعال الوطني الذي  تبلغ قدرته 500 تيراواط تقريبًا . ومن أمثلة هذه الليزرات: ليزر فولكان في مرفق الليزر المركزي التابع لمختبر رذرفورد أبليتون ، وليزر ديوكليس في جامعة نبراسكا-لينكولن ، وليزر جيكو 12 في مرفق جيكو 12 التابع لمعهد هندسة الليزر بجامعة أوساكا ، وليزر أوميغا وليزر أوميغا EP في مختبر طاقة الليزر بجامعة روتشستر، وخط بيتاواط الذي تم تفكيكه الآن في ليزر نوفا السابق في مختبر لورانس ليفرمور الوطني . اقترح جيرار مورو استخدام تقنية تضخيم النبضات المستقطبة (CPA) لتوليد نبضات ليزر عالية الطاقة وقصيرة المدة لتحويل المواد شديدة الإشعاع (الموجودة في الهدف) لتقليل عمر النصف لها بشكل كبير، من آلاف السنين إلى بضع دقائق فقط. ^{[ 9 ] [ 10 ]}

وبصرف النظر عن أنظمة البحث الحديثة هذه، فإن عددًا من الشركات المصنعة التجارية تبيع أجهزة تضخيم الطاقة القائمة على التيتانيوم والياقوت بقدرات ذروة تتراوح من 10 إلى 100 جيجاوات.

• تكنولوجيا الفيمتو
• سرعة المجموعة
• قفل الوضع
• تضخيم رامان
• التضخيم التجديدي