백서
펨토초 증폭기는 극한의 작동 체제에 대한 턴키 액세스를 제공합니다
Astrella 재생 증폭기의 탁월한 빔 품질과 장기 안정성은 이전에 복잡한 소스와 상당한 레이저 전문 지식이 필요했던 극한의 작동 체제에서의 실험에 이상적인 턴키 엔진입니다. 이 백서는 이 산업용 초고속 증폭기를 사용하여 5fs보다 짧은 펄스 폭에 도달하고, EUV 파장을 13nm까지 생성하고, 48시간 동안 지속되는 광대역 2차원 분광학 스캔을 수행하는 방법을 설명합니다.
티타늄:사파이어 재생 증폭기
이터븀 첨가 섬유와 같은 최신 레이저 이득 물질이 펨토초 과학 응용 분야에 점점 더 많이 사용되고 있지만, 티타늄:사파이어(Ti:사파이어)의 고유한 넓은 대역폭과 이득 특성은 이 잘 입증된 기술이 가장 널리 사용되는 1-5kHz의 반복 속도에서 매우 높은 펄스 에너지 및/또는 극히 짧은 펄스 폭이 필요한 응용 분야에서 여전히 도전받지 않는다는 것을 의미합니다. 이러한 성능을 충족하기 위한 최고의 레이저 아키텍처는 재생 증폭기를 갖춘 CPA(Chirped Pulse Amplification)를 기반으로 합니다. 여기서 ~80MHz Ti:Sapphire 펨토초 발진기의 출력은 수십 피코초까지 늘어납니다(처핑). 그런 다음 Q 스위치 녹색 레이저로 펌핑되는 단일 또는 다단계 증폭기에서 증폭되기 전에 빠른 광학 게이트에 의해 킬로헤르츠 영역으로 떨어집니다. 입력 펄스의 복제물인 증폭된 펄스는 초기 펄스 지속 시간으로 압축됩니다. 바카라 카지노와 같은 수직 통합 레이저 제조업체는 발진기, 증폭기, 펌프 레이저 등 모든 구성 요소를 원하는 성능을 달성하기 위해 결합할 수 있는 별도의 장치로 제공합니다. 증폭된 펨토초 펄스를 가능한 가장 광범위한 사용자 기반에 제공하기 위해 우리는 이러한 모든 구성 요소가 하나의 견고한 레이저 헤드 내부에 통합된 '원박스' 증폭기도 제공합니다.
최근까지 상업용 Ti:Sapphire 시스템에서는 복잡성과 성능 사이에 뚜렷한 절충점이 있었습니다. 개방형 아키텍처 시스템은 가장 짧은 펄스 폭과 가장 높은 펄스 에너지에 대한 액세스를 가능하게 한 반면, 원박스 통합 앰프는 최첨단 성능을 달성하는 대신 훨씬 더 간단하고(주로 푸시 버튼 사용) 사용 편의성을 제공했습니다. 이제 이러한 상황은 더 높은 에너지와 더 짧은 펄스 지속 시간으로 인해 더 복잡한 멀티박스 앰프와의 격차가 상당히 줄어든 바카라 카지노 Astrella 시리즈와 같은 차세대 통합 앰프로 바뀌었습니다. 시중에서 구입할 수 있는 정교한 액세서리와 함께 Astrella는 이전에 소수의 전문 레이저 실험실에서만 사용할 수 있었던 운영 체제에 대한 턴키 액세스를 이제 제공합니다.
산업적 단순성과 신뢰성
콤팩트한 패키지의 성능은 초고속 증폭기 채택을 늘리는 데 필요한 요구 사항의 일부일 뿐입니다. Astrella는 또한 사용 편의성과 신뢰성 및 장기 안정성을 결합합니다. 이 견고한 신뢰성/안정성은 바카라 카지노가 다음과 같이 부르는 프로그램의 결과입니다.초고속 과학의 산업혁명.여기에는 설계 방법론, 재료 검증, 소싱 및 HALT/HASS 테스트 프로토콜로 구성된 포괄적인 프로그램이 포함됩니다. HALT(High Accelerated Life Testing)에서는 프로토타입을 반복적으로 테스트하여 파괴하고, 재설계하고, 다시 테스트하여 고유한 약점을 제거합니다. HASS(Highly Accelerated Stress Screening)는 최종 배송 전에 지정된 작동 환경 이상으로 생산 단위에 스트레스를 줍니다. 이를 통해 제조, 포장 등의 결함을 가려냅니다. 그림 1은 맞춤형 HALT/HASS 테스트 챔버에 로드된 Astrella를 보여줍니다.
그림 1:HALT/HASS 테스트 및 스크리닝은 Astrella 증폭기의 산업적 신뢰성을 가능하게 하는 핵심 요소입니다.
결과적으로 Astrella는 1kHz의 반복률에서 < 35fs 펄스 폭으로 800nm에서 펄스당 최대 7mJ의 푸시 버튼 성능을 제공합니다. 모든 레이저 구성 요소는 소형(26cm x 79cm x 125cm) 헤드에 들어 있습니다. 또한 이 증폭기는 데이터 수집 시간이 수십 시간에 걸쳐 있을 수 있는 2차원(2D) 분광학과 같은 실험에 필수적인 탁월한 장기 안정성을 제공합니다.
물리학, 광화학 및 재료 과학 분야의 여러 중요 신흥 응용 분야에서는 극자외선(EUV) 펄스 또는 수 펨토초의 펄스 폭을 생성하기 위해 더 짧은 펄스 폭 및/또는 매우 짧은 파장이 필요합니다. Astrella의 변환 제한 펄스는 낮은 진폭 잡음, 높은 위상 안정성은 물론 높은 빔 품질(M)이 특징입니다.2< 1.25). 이는 펄스가 비선형 광학 프로세스를 구동하여 이러한 극한 작동 영역에 도달하는 데에도 이상적이라는 것을 의미합니다.
2차원 분광학
초고속 증폭기에 대한 가장 까다로운 응용 분야 중 일부는 2차원 분광학의 다양한 구현입니다. 기존 분광학에서는 광 신호(IR 흡수, 라만 산란 등)가 여기 파장의 함수로 기록됩니다. 지난 10년 동안 2차원 분광학 기술의 다양한 변형이 점점 더 대중화되었습니다. 여기에서는 가능한 한 큰 대역폭을 갖는 레이저 펄스를 사용하여 서로 다른 분자 진동 또는 전자 레벨이 얼마나 강하게 결합되는지와 이러한 결합의 디페이싱 시간을 결정합니다. 데이터는 일반적으로 그림 2와 같이 2차원 윤곽선으로 그래프로 표시됩니다. 진동 윤곽선의 모양은 또한 여기 상태 수명의 동종 및 이종 구성 요소를 독립적으로 결정할 수 있는 정보를 제공합니다.
2D 분광학 개념은 주파수 영역에 표시할 때 가장 이해하기 쉽지만, 대부분의 실험에서 데이터는 시간 영역에서 푸리에 변환으로 획득됩니다. 이는 관심 주파수 영역을 동시에 확장하기 위해 펨토초 소스의 광대역 펄스를 사용하여 수행됩니다. 여기서는 단일 광대역 소스와 펄스 셰이퍼가 펄스 시퀀스를 생성합니다. 밀접하게 동기화된 두 펄스 사이의 타이밍은 주파수 영역으로 변환되고 두 쌍 사이의 타이밍을 스캔하면 디페이싱 수명을 결정할 수 있으며, 이를 3D 데이터라고도 합니다. 더 자세한 설명은시옹 백서.
그림 2.방향촉매밀도 함수 이론(DFT)을 사용하여 시뮬레이션한 HD 2D SFG 데이터 및 반사 모드 IR 분광학의 데이터로 결정된 금 표면. 오리엔테이션”a”선호됩니다. 파란색 막대는 진동 모드 방향을 나타냅니다. 삽입된 그림은 이 연구의 2D 데이터 플롯을 보여줍니다. 즉, 표면 결합 촉매에 대한 2D SFG 데이터와 용액 내 촉매에 대한 동일한 진동 정보를 보여주는 2D IR 데이터입니다.
샌디에이고 캘리포니아 대학의 Wei Xiong 교수 그룹은 2D 분광학을 사용하여 이종 촉매인 Re(diCN-bpy)(CO)가 어떻게 작동하는지 조사하고 있습니다.3Cl - 금 표면에 결합되어 있으며 이 결합이 역학에 어떻게 영향을 미치는지(그림 2 참조) 이 화학물질은 CO입니다.2환원 촉매이며 지속 가능한 에너지 계획에 사용할 수 있는 후보입니다.
Xiong의 팀은 Xiong이 Martin Zanni 연구실에서 대학원생으로 개발한 기술인 SFG(합계 주파수 생성)를 기반으로 실험을 수행하고 있습니다. SFG 진동 신호는 표면 및 위상 인터페이스에서만 생성되므로 2D SFG는 표면 결합 촉매를 연구하는 데 이상적입니다. 이는 결합되지 않은(용액 내) 촉매 분자로 인해 잠재적으로 큰 배경 소음을 크게 제거합니다. 그러나 촉매가 단층으로 결합되어 있기 때문에 SFG 신호 자체가 매우 약합니다. 그리고 신호는 레이저 강도에 비선형적으로 의존하기 때문에 높은 펄스 에너지와 짧은 펄스 폭이 절대적으로 필요합니다. 이것이 Xiong이 이 작업을 위해 Astrella를 선택한 이유입니다. 그가 연구실의 주요 초고속 소스로 Astrella에 투자한 또 다른 이유는 사용 용이성과 장기적인 안정성 때문입니다. "다양한 지연 시간에서 전체 스펙트럼 세트(3D 데이터)를 얻으려면 때때로 48시간 동안 데이터를 평균화해야 하는데, 이는 레이저 안정성에 대한 극도의 요구 사항입니다. 이 기간 동안 증폭기 출력이 안정적이고 빔 포인팅, 빔 품질, 펄스 에너지 등에 드리프트가 없는 것이 중요합니다. Astrella의 안정성은 실험실 근처 사무실에서 레이저를 원격으로 제어하면서 이러한 긴 데이터 실행을 수행할 수 있음을 의미합니다." Xiong의 그룹은 이 설정을 사용하여 금 표면에 있는 촉매의 특정 방향(그림 2 참조)과 주요 진동 간의 동적 결합에 대한 표면 결합의 효과를 결정했습니다.
고에너지 5fs 미만 펄스에 대한 간단한 액세스
Astrella는 7mJ를 초과하는 펄스 에너지로 35fs보다 짧은 펄스 폭에 대한 턴키 액세스를 제공합니다. 그러나 물리학, 광화학 및 재료 과학 분야에서 새롭게 떠오르는 몇 가지 중요한 응용 분야에서는 아토초 X선 펄스를 생성하거나 상대론적 전자의 폭발을 생성하기 위해 더 짧은 펄스 및/또는 더 높은 피크 전력이 필요합니다. 최근 바카라 카지노는 Imperial College of London의 John Tisch 교수, Daniel Walke 박사, Sphere Ultrafast Photonics의 과학자들과 협력하여 Astrella 증폭기의 턴키 단순성과 안정적인 빔 품질을 활용하여 최대 2mJ의 펄스 에너지로 5fs 펄스 폭에 도달했습니다. 그림 3에서 볼 수 있듯이 이 설정의 핵심 요소는 초단 펄스를 생성하는 데 사용되는 Tisch 그룹에서 개발한 차동 펌핑식 중공 섬유 압축기(HFC)였습니다. 또 다른 중요한 구성 요소는 Sphere 팀이 개척한 d-scan 펄스 압축/측정 시스템이었습니다.
그림 3:5fs 펄스 생성 및 측정을 위한 실험적 설정. 바카라 카지노 Astrella 증폭기의 출력은 렌즈(f=1m)를 통해 네온 또는 헬륨 가스로 가압된 250μm 내부 직경의 차동 펌핑 중공 코어 섬유에 집중됩니다. Astrella의 펄스 에너지는 파장판편광기 조합(표시되지 않음)을 사용하여 0-7mJ 범위에서 제어됩니다. 중공 코어 섬유에서 스펙트럼적으로 확장된 출력은 d-scan 블루 시스템으로 압축되고 측정되기 전에 오목 은거울(f=0.75m)로 다시 시준됩니다. d-scan 측정 헤드에는 단지 몇 mW의 평균 전력만 필요하므로 빔 스플리터는 중공 섬유에서 와트 수준(~1mJ @ 1kHz) 빔을 샘플링하는 데 사용됩니다. 빔 덤프에 들어가는 빔은 일반적으로 실험에 사용할 수 있습니다. (삽입에는 푸리에 변환 제한된 펄스와 실제 검색된 펄스 모두 시간 영역의 일반적인 d-스캔 출력 데이터가 표시되어 이 경우 5.1fs FWHM의 지속 시간을 나타냅니다.
이 접근 방식은 비활성 가스를 포함하는 중공사에서 자체 위상 변조(SPM)로 인한 스펙트럼 확장을 활용합니다. 섬유는 유전체 도파관 역할을 하여 빔을 제한하고 높은 강도에서 긴 상호 작용 길이를 허용합니다. 이 확립된 접근 방식은 kHz 반복 속도에서 고전력(최대 5mJ), 소수 주기 레이저 펄스를 생성할 수 있는 것으로 입증되었습니다.
여기서 핵심 혁신은 HFC를 차등적으로 펌핑하는 것입니다. Tisch와 다른 사람들이 개척한 것처럼 차동 펌핑은 레이저 강도가 가장 높은 섬유 입구에서 플라즈마 형성을 줄입니다. (정적으로 가스가 채워진 중공 섬유에서 입력 측의 플라즈마 형성은 입구에서 초점의 크기와 위치를 최적에서 변경함으로써 결합 효율과 샷 간 안정성 모두 감소를 유발합니다.) Astrella 펄스는 1미터 초점 거리 렌즈를 사용하여 HFC 입력에서 ~160μm의 빔 웨이스트에 집중되었습니다. 시스템은 Astrella 증폭기의 높은 안정성 입력 빔으로 인해 사용자의 적극적인 피드백이나 재정렬 없이 한 번에 여러 시간 동안 반복적으로 실행되었습니다.
펨토초 펄스의 다양한 측면을 특성화할 수 있는 여러 접근 방식이 있지만 이 데모에 사용된 d-스캔 장치는 세계 기록 지속 시간(단일 주기 펄스까지)을 사용하여 몇 주기 체제에서 펄스를 측정하고 압축하는 기능을 포함하여 여러 가지 장점을 제공합니다. 전반적인 사용 용이성과 속도로 인해 d-scan은 HCF 측정 및 최적화를 위한 완벽한 도구입니다. 첫째, 단일 장치에서 압축/제어와 시간 측정을 모두 수행할 수 있습니다. 둘째, 입력 빔 정렬 불량(± 몇 도까지)을 매우 잘 견디므로 설정이 빠른 강력한 독립형 도구입니다. 셋째, 킬로헤르츠 펄스 반복 속도에 대해 1분 이내에 완전한 펄스 특성(위상 및 진폭)을 제공하므로 속도가 빠릅니다.
그림 3의 데이터 플롯에 표시된 것처럼 이 작고 상대적으로 간단한 설정은 밀리줄 수준의 펄스 에너지로 5fs의 펄스 폭에 대한 턴키 액세스를 제공합니다. 에 대한 자세한 설명을 확인하세요.데모.
간결한 광대역 EUV(12-50nm) 펄스의 편리한 소스
증폭된 펨토초 레이저 펄스로 펌핑할 때 불활성 가스로 채워진 도파관은 극자외선(EUV)과 같은 단파장 영역에 도달하기 위해 고조파 발생(HHG)에 맞게 구성 및 최적화될 수 있습니다. 바카라 카지노와 K-M Labs가 최근 실시한 공동 테스트에서는 Astrella의 전력, 안정성 및 빔 품질이 KMLabs XUUS4™ 시리즈와 같은 HHG(고조파 발생) 도파관 장치를 구동하는 데 이상적인 것으로 나타났습니다. (HFC 펄스 압축기와 마찬가지로 최적의 성능은 장치를 따라 압력 구배를 생성하는 차동 펌핑을 통해 달성됩니다.) 레이저의 발명이 최근 수십 년 동안 과학과 기술에 혁명을 일으켰던 것처럼 EUV 및 더 짧은 파장의 탁상형 코히어런트 레이저 소스의 개발은 이러한 짧은 파장에서 레이저와 같은 성능을 요구하는 과학 및 기술 응용 분야에 혁신적인 영향을 미칠 가능성이 높습니다.
그림 4:EUV 펄스를 생성하는 데 사용되는 설정의 개략도. 삽입된 그림은 HHG 가스가 6m의 최적화된 입력 펄스 에너지를 갖는 헬륨일 때 기록된 EUV 펄스의 스펙트럼을 보여줍니다. 서로 다른 고조파의 스펙트럼 대역폭(FWHM)은 대략 100입니다. 0.75nm.
그림 4는 이 성공적인 HHG 시연에 사용된 주요 구성 요소를 보여줍니다. HHG는 EUV 이미징 분광계와 EUV CCD 어레이 검출기를 사용하여 분석되었습니다. 아르곤이 충전 가스로 사용되는 경우 출력은 35nm의 "EUV 근처"를 중심으로 하는 여러 고조파로 구성됩니다. 헬륨을 사용하면 출력은 원자외선(deep UV)에서 13.5nm에 집중됩니다. 또는 도파관을 더 무거운 불활성 가스(크세논 또는 크립톤) 중 하나로 채워 더 긴 파장의 고조파를 생성할 수 있습니다. 모든 경우에 HHG에 대한 최적의 입력 펄스 에너지는 Astrella의 출력 펄스 에너지보다 작은 것으로 밝혀졌으며, 펌프-프로브 유형 연구와 같은 결합 실험에 추가 펄스 에너지를 사용하는 옵션이 남아 있습니다.
EUV 스펙트럼의 모양(그림 4 참조)은 방출이 밝고 위상이 일치하는 펄스 동안의 레이저 피크 강도, 불활성 가스에서 더 긴 파장의 재흡수, 기본 및 저차 고조파를 거부하는 데 사용된 알루미늄 필터의 투과 등 여러 요인의 결과입니다. 에 대한 자세한 설명을 확인하세요.HHG 테스트.
요약
넓은 대역폭, EUV 파장 및/또는 초단파(5fs) 펄스 폭을 특징으로 하는 응집성 펄스는 꽤 오랫동안 사용되어 왔지만 이전에는 이러한 펄스 매개변수를 얻는 데 필요한 소스의 복잡성으로 인해 소수의 전문 실험실에서만 사용이 제한되어 광범위한 응용이 불가능했습니다. 이제 턴키 증폭기와 안정적이면서도 정교한 액세서리를 사용하면 극한의 펨토초 성능에 간편하게 액세스할 수 있어 아토초 물리학에서 다차원 분광학에 이르는 응용 분야에 이점을 제공할 수 있습니다.