بخشی از مقاله
چکیده -
تقویت پارامتری پالسهای نوری چیرپ شده - OPCPA - را با در نظر گرفتن پروفایل زمانی برای پالسهای برهمکنشکننده به طور عددی مورد مطالعه قرار داده و به بررسی تاثیر پروفایل زمانی پمپ بر پروفایل زمانی و طیفی سیگنال تقویت شده میپردازیم. همچنین وابستگی طیف سیگنال تقویت شده به طول موثر برهمکنش را مورد بررسی قرار میدهیم.
مقدمه
پالسهای لیزری پر شدت فوق کوتاه در کنار کاربردهای بس یار متنوع، ام کان م طال عات فیزیکی فراوانی را فراهم آوردهاند که از جمله آنها بررسیهای غیرخطی در فیزیک اتمی، ملکولی و حالت جامد به منظور دسترسی به حالات ک شف ن شدهی ماده ا ست .[1] از جمله تکنیکهای در حال گسترش برای تولید پالسهای لیزری فوق کوتاه پرانرژی، روش تقویت پارامتری پالسهای نوری چیرپ شده1 است.
این تکینیک با ترکیب دو نوع روش تقویت پارامتری نوری - 2OPA - و تقویت پالس چیرپ شده - 3CPA - ، از مزایای هر دو روش به طور همز مان است فاده میک ند. تا به حال روشهای تولید پالس های کم چرخه نوری چند میلیژولی عمدتا مبتنی بر این تکنیک بوده است . [2] همچنین افزایش دسترسی به لیزرهای پرشدت با کمک این تکنولوژی، ا ستفاده از آن را در کاربردهایی نظیر مطالعات تفکیک زمانی بالا امکانپذیر کرده است. از دیگر مزایای این روش میتوان به پهنای باند بهره گسترده، بهره تک عبوربالا، بارگیری ناچیز حرارتی و بازدهی بالا اشاره کرد.
اما در کنار مزایای بیشمار OPCPA ، پیچیدگیهایی در این روش تقویت وجود دارد که همزمانسازی پالسهای پمپ و سیگنال، پهن و ف شرده کردن زمانی پالس سیگنال، شرایط دقیق تطابق فازی، سوپرفلوئورسانس زمینه، باریکه پمپ پرتوان با طول پالس کوچک، پروفایل زمانی تمیز و کیفیت باریکه بالا، از جملهی آنها است .
در این تکنیک، شکل دهی طیفی برای تقویت پالسهای چیرپ شده از اهمیت زیادی برخوردار است و مانع پدیده باریک شدگی در حین تقویت بهویژه در تقویت کنندههای Ti:sapphire و Nd:glass میشود .[3] در سالهای اخیر تلاش های ز یادی برای کنترل ش کل طیفی خروجی در سیستمهای OPCPA و CPA از طریق بهره اشباعپذیر، کنترل عدم تطابق فازی و ... مورد مطالعه قرار گرفتهاند؛ ولی به کارگیری این روشها برای سیستمهای لیزری مقیاس کو چک با پیچ یدگی همراه است .[4] در این م قا له با شبیهسازی عددی فرایند OPCPA ، امکان کنترل شکل زمانی و طیفی سیگنال خروجی توسط شکل زمانی پالس پمپ، مورد بررسی قرار میگیرد.
تحلیل عددی
طبق تئوری اولیهی OPCPA، پدیده تقویت پارامتری نوری با فرض تقریب موج تخت و دامنه کند تغییر توسط سه معادله کوپل شده زیر بیان میشود :
که ، و دامنههای میدان الکتریکی ، و ضرایب شکست و ، و فرکانسهای به ترتیب سیگنال، ایدلر و پمپ هستند. همچنین سرعت نور در خلا، ضریب غیرخطی موثر و ∆ عدم تطابق فازی می باشد. علاوه بر این ، و به ترتیب زاویه بین سیگنال و پمپ، ایدلر و پمپ و زاویه کنارگذر عرضی پمپ میباشند. تولید موج ایدلر برقرار ماندن بقای انرژی و تکانه موج پمپ در حین تقویت را تضمین میکند. از آنجا که محیطی که فرایند غیرخطی در آن اتفاق میافتد برای امواج پمپ، سیگنال و ایدلر شفاف است میتوان از جمله مربوط به افت میدان صرفنظر کرد.
میدان الکتریکی واب سته به زمان باریکه سیگنال و پمپ یک پالس سوپرگاوسی مرتبه Q به صورت زیر فرض میشوند: که در آن پارامتر چیرپ خطی و و به ترتیب طول زمانی پالس سیگنال و پمپ میباشد. کمیتهای و مراتب سوپرگاوسی برای پمپ و سیگنال و - - تابع مدولاسیون زمانی پمپ را نشان میدهد. از آنجا که پالس سیگنال دارای چیرپ زمانی - در اینجا خطی - میباشد، فرکانس لحظهای پالس سیگنال با فرض پروفایل زمانی گاوسی، به صورت زیر تعریف میشود:
که در آنΦ فاز تند تغییر میدان پالس میباشد. در این شبیه سازی، انرژی اولیه سیگنال و پمپ را به ترتیب برابر 2 نانوژول و 200 میلیژول، زاویه غیرهمخط را برابر با 2,39، زاویه تطابق فازی را 23,84 و طول پالس سیگنال و پمپ را به ترت یب برابر 1,5 و 5 نانو ثان یه فرض میکنیم. همچنین فرض میکنیم باریکههای سیگنال و پمپ با طول موجهای به ترتیب 800 و 532 نانومتر در کریستال %%2 با طول 11,3 میلیمتر برهمکنش میکنند.
شکل :1 پروفایل سیگنال قبل و بعد از فرایند تقویت برای حالتی که در آن از پروفایل سوپرگاوسی مرتبه بیستم برای پالس پمپ و گاوسی برای پالس سیگنال - الف - و برعکس - ب - استفاده شده است.
با در نظر گرفتن پروفایل زمانی گاو سی سوپرگاو سی مرتبه بیستم برای پالسهای پمپ و سیگنال به بررسی نقش پروفایل زمانی بر فرایند تقویت میپردازیم. پارامتر - - را در این مرحله برابر یک قرار میدهیم. همانطور که در شکل - 1 - نشان داده شده است، پروفایل سیگنال تقویت شده بیشتر متمایل به پروفایل پالس پمپ مورد استفاده میباشد، که با آنچه از تئوری برهمکنش انتظار میرود همخوانی دارد. این تابعیت میتواند در انتخاب نوع پروفایل اولیه پمپ برای نزدیک شدن به پروفایل دلخواه برای سیگنال، دارای اهمیت باشد.
به منظور بررسی دقیقتر میزان تاثیرپذیری پروفایل سیگنال از پروفایل پمپ، به اعمال تغییرات دلخواه در پروفایل پمپ میپردازیم. این کار را با فرض - - به صورت:
و سپس تغییر پارامترهای ، و انجام میدهیم. تغییر این پارامترها میتواند به ظهور دره و قلههایی مطابق شکل - 2 - در پروفایل پمپ منجر شود. انتظار میرود که اعمال تغییر در پروفایل پمپ به تغییر در پروفایل زمانی سیگنال خروجی و به دلیل چیرپ بودن پالس سیگنال، به تغییر در طیف سیگنال تقویت شده منجر شود. لذا این روش امکان کوکپذیری پالس سیگنال روی طول موج مورد نظر را فراهم میآورد.
شکل :2 پروفایل زمانی میدان پمپ الف - با اعمال دره عمیق در پروفایل گاوسی ب - با اعمال دره کم عمق در پروفایل گاوسی
