극한의 작동 영역에 턴키로 액세스하는 펨토초 증폭기

결과적으로, Astrella는 반복률이 1kHz인 35fs 미만의 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 달할 수 있는 2차원(2D) 분광학과 같은 실험에서 필수적인 탁월한 장기 안정성을 제공합니다.

물리학, 광화학 및 재료 과학 분야에서 새롭게 떠오르는 몇 가지 중요한 응용 분야에서는 극자외선(EUV) 펄스 또는 몇 펨토초의 펄스 폭을 생성하는 등 더 짧은 펄스 폭 및/또는 매우 짧은 파장이 필요합니다. Astrella의 변환 한계 펄스는 낮은 진폭 노이즈, 높은 위상 안정성 및 높은 빔 품질(M² < 1.25)을 특징으로 합니다. 이는 펄스가 이러한 극한의 작동 영역에 도달하기 위해 비선형 광학 프로세스를 구동하는 데에도 이상적이라는 것을 의미합니다.

2차원 분광

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 수준이 얼마나 강하게 결합되는지와 이러한 결합의 탈위상 시간을 결정합니다. 데이터는 일반적으로 그림 2에 표시된 것처럼 2차원 윤곽선으로 그래프로 표시됩니다. 진동 윤곽선의 모양은 여기 상태 수명의 동종 및 이종 구성 요소를 독립적으로 결정할 수 있는 정보도 제공합니다.

2D 분광학 개념은 주파수 영역에 표시할 때 가장 이해하기 쉽긴 하지만, 대부분의 실험에서 데이터는 시간 영역에서 푸리에 변환을 통해 수집됩니다. 이는 펨토초 소스의 광대역 펄스를 사용하여 관심 주파수 영역을 동시에 확장하기 위해 수행됩니다. 여기서는 단일 광대역 소스와 펄스 성형기가 펄스 시퀀스를 생성합니다. 밀접하게 동기화된 두 펄스 사이의 타이밍은 주파수 영역으로 변환되며, 두 쌍 사이의 타이밍을 스캔하면 탈위상 수명을 결정할 수 있습니다. 이는 3D 데이터라고도 합니다. 자세한 설명은 Xiong 백서에서 확인하십시오.

캘리포니아 대학, 샌디에이고의 Wei Xiong 교수 연구팀은 2D 분광법을 사용하여 이종 촉매인 Re(diCN-bpy)(CO)₃Cl이 금 표면에 어떻게 결합되어 있으며 이 결합이 역학에 어떻게 영향을 미치는지 조사하고 있습니다(그림 2 참조). 이 화학물질은 CO₂ 환원 촉매제이므로, 지속 가능한 에너지 계획에 사용할 수 있는 후보 물질입니다.

Xiong 팀은 Xiong이 대학원생 시절에 Martin Zanni의 연구실에서 개발한 기술인 합계 주파수 생성(SFG)을 기반으로 하여 실험을 진행하고 있습니다. SFG 진동 신호는 표면과 상 경계면에서만 생성되기 때문에 2D SFG는 표면 결합 촉매제 연구에 이상적입니다. 이렇게 하면 결합되지 않은(용액 내) 촉매 분자로 인한 잠재적으로 큰 배경 노이즈를 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 필요하며, 이것이 바로 Xiong이 이 작업을 위해 Astrella를 선택한 이유입니다. 그가 연구실의 주요 초고속 소스로 Astrella에 투자한 또 다른 이유는 사용 용이성과 장기적인 안정성 때문입니다. "3D 데이터와 같이 여러 지연 시간에 걸쳐 전체적인 스펙트럼 세트를 얻으려면 48시간의 데이터를 평균화해야 하는 경우가 종종 있으므로 레이저 안정성이 매우 중요합니다. 이 기간 동안 증폭기 출력이 안정적이고 빔 포인팅, 빔 품질, 펄스 에너지 등에 드리프트가 없는 것이 중요합니다. Astrella의 안정성 덕분에 연구실 근처 사무실에서 레이저를 원격으로 제어하면서 이러한 긴 데이터 실행을 수행할 수 있습니다." Xiong의 연구팀은 금 표면에 있는 촉매의 특정 방향(그림 2 참조)과 주요 진동 사이의 동적 결합에 대한 표면 결합의 효과를 결정하기 위해 이 설정을 사용했습니다.

고에너지 5fs 미만 펄스에 대한 간단한 액세스

Astrella는 7mJ을 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 생성하는 등 더 짧은 펄스 및/또는 더 높은 피크 전력이 필요합니다. 최근 Coherent는 런던 임페리얼 칼리지의 John Tisch 교수, Daniel Walke 박사, Sphere Ultrafast Photonics의 과학자들과 협력하여 Astrella 증폭기의 턴키 방식의 단순성과 안정적인 빔 품질을 활용하여 최대 2mJ의 펄스 에너지로 5fs 펄스 폭에 도달할 수 있었습니다. 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.

이 접근 방식은 비활성 가스를 포함하는 중공 섬유에서 자체 위상 변조(SPM)로 인한 스펙트럼 확장을 활용합니다. 섬유는 유전체 도파관 역할을 하여 빔을 제한하고, 고강도에서 긴 상호 작용 길이를 허용합니다. 이 확립된 접근 방식은 kHz 반복률의 고출력(최대 5mJ) 소수 주기 레이저 펄스를 생성할 수 있는 것으로 입증되었습니다.

여기서 핵심적인 혁신은 HFC를 차등적으로 펌핑하는 것입니다. Tisch 등이 개척한 것처럼 차동 펌핑은 레이저 강도가 가장 높은 섬유 입구에서 플라즈마 형성을 줄입니다. (정적으로 가스가 채워진 중공 섬유에서 입력 측의 플라즈마가 형성되면 입구에서 초점의 크기와 위치를 최적에서 변경하여 결합 효율과 샷 간 안정성이 모두 감소됩니다.) Astrella 펄스는 1미터 초점 거리 렌즈를 통해 HFC 입력 시 약 160μm의 빔 웨이스트에 집중되었습니다. 시스템은 Astrella 증폭기의 높은 안정성 입력 빔 덕분에, 사용자의 적극적인 피드백이나 재조정 없이도 한 번에 여러 시간 동안 반복적으로 실행되었습니다.

펨토초 펄스의 다양한 측면을 특성화할 수 있는 여러 접근 방식이 있지만 이 시연에 사용된 d-스캔 장치는 세계 기록 지속 시간(최대 단일 주기 펄스까지)으로 소수 주기 체제에서 펄스를 측정하고 압축하는 기능을 포함하여 여러 가지 이점을 제공합니다. 전반적인 사용 용이성과 속도를 고려할 때 d-scan은 HCF 측정 및 최적화를 위한 완벽한 도구입니다. 첫째, d-scan은 단일 장치에서 압축/제어와 시간 측정을 모두 수행할 수 있습니다. 둘째, 입력 빔 정렬 불량(± 몇 도까지도)을 매우 잘 견디므로 설정이 빠른 강력한 독립형 도구입니다. 셋째, 킬로헤르츠 펄스 반복률에 대해 1분 이내에 완전한 펄스 특성(위상 및 진폭)을 제공할 만큼 속도가 빠릅니다.

그림 3의 데이터 플롯에 표시된 것처럼 이 작고, 상대적으로 간단한 설정은 밀리줄 수준의 펄스 에너지로 5fs의 펄스 폭에 대한 턴키 액세스를 제공합니다. 시연의 더 자세한 설명을 확인하십시오.

Coherent 광대역 EUV(12~50nm) 펄스의 편리한 소스

증폭된 펨토초 레이저 펄스로 펌핑할 경우, 불활성 가스로 채워진 도파관을 고조파 발생(HHG)에 맞게 구성하고 최적화하여 극자외선(EUV)과 같은 단파장 영역에 도달할 수 있습니다. Coherent와 K-M Labs가 최근 실시한 공동 테스트에 따르면, Astrella의 전력, 안정성 및 빔 품질은 KMLabs XUUS4™ 시리즈와 같은 고조파 발생(HHG) 도파관 장치를 구동하는 데 이상적입니다. (HFC 펄스 압축기와 마찬가지로 차동 펌핑을 통해 장치를 따라 압력 구배를 생성하여 최적의 성능을 달성할 수 있습니다.) 레이저의 발명이 최근 수십 년 동안 과학과 기술에 혁명을 일으켰던 것처럼, EUV 및 더 짧은 파장에서 테이블탑 규모의 Coherent 레이저 소스의 개발은 이러한 단파장에서 레이저와 같은 성능을 요구하는 과학 및 기술 응용 분야에 혁신적인 영향을 미칠 것입니다.

그림 4는 이 성공적인 HHG 시연에 사용된 주요 구성 요소를 보여줍니다. HHG는 EUV 이미징 분광계와 EUV CCD 어레이 검출기를 사용하여 분석되었습니다. 아르곤을 충전 가스로 사용하는 경우 출력은 35nm의 '근 EUV'를 중심으로 하는 여러 고조파로 구성됩니다. 헬륨을 사용하면 출력은 원자외선에서 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 적은 것으로 밝혀졌으며, 펌프-프로브 유형 연구와 같은 복합 실험에 추가 펄스 에너지를 사용하는 옵션이 남아 있습니다.

EUV 스펙트럼의 모양(그림 4 참조)은 발광이 밝고 위상이 일치하는 펄스 동안 레이저 피크 강도, 불활성 가스에서 더 긴 파장의 재흡수, 기본 및 저차 고조파를 거부하는 데 사용된 알루미늄 필터의 투과 등 여러 요인의 결과입니다. HHG 테스트의 더 자세한 설명을 확인하십시오.

요약

넓은 대역폭, EUV 파장 및/또는 초단파(5fs) 펄스 폭을 특징으로 하는 Coherent 펄스는 꽤 오랫동안 사용 가능했지만 이전에는 이러한 펄스 매개변수를 얻는 데 필요한 소스의 복잡성으로 인해 소수의 전문 연구실에서만 사용되어 광범위한 적용이 제한되었습니다. 이제 턴키 증폭기와 안정적이면서도 정교한 액세서리를 사용하면 극한의 펨토초 성능에 간편히 액세스할 수 있어 아토초 물리학에서 다차원 분광학에 이르는 다양한 응용 분야에 이점을 제공할 수 있습니다.