بخشی از مقاله
چکیده- یکی از مهمترین مسائل سیستمهای تقویت تپهای لیزری فوق کوتاه فمتوثانیه، بروز اثرات مربوط به پاشندگیهای مرتبهی بالای کل بر نیمرخ زمانی تپ نهایی خروجی از بخش فشردهساز سیستم است. در این مقاله امکان کاهش پاشندگی مرتبهی سوم و چهارم کل سیستم پهن کننده، تقویتکننده و فشردهساز با استفاده از یک سیستم فشردهساز گریزم - ترکیب جفت توری و جفت منشور - بررسیشده است. مقادیر بهینه برای پارامترهای مؤثر در گریزم بر میزان تصحیح ضریب پاشندگی مرتبهی سوم و چهارم یک سیستم نوعی، نظیر زاویهی رأس منشور، فاصلهی رأس تا رأس منشورها، با استفاده از الگوریتم ژنتیک محاسبهشدهاند. نتایج بهدستآمده نشاندهندهی کاهش قابلملاحظهی ضریب پاشندگی مرتبه سوم و چهارم کل سیستم در طراحی بهینه میباشند.
-1 مقدمه
امروزه پژوهشهای گستردهای درزمینهی تولید و کاربردهای تپهای لیزری فمتوثانیه پرتوان، بهویژه از مرتبهی پتاوات در حال انجام است. کاربردهای این دسته از لیزرها درزمینهی فیزیک میدان قوی، علم مواد، فیزیک هستهای و پلاسما است .[1] بروز اثرهای غیرخطی و آسیب به قطعات اپتیکی یکی از مهمترین چالشهای پیش روی سیستمهای تقویتکنندهی این دسته از تپها میباشند. تقویت تپ چرپشده - CPA1 - یکی از روشهای مناسب برای تقویت این تپها، تا توانهای قله از مرتبهی تراوات و پتاوات، است .
[2] در این روش تپهای لیزری فمتوثانیه قبل از فرآیند تقویت، توسط یک سیستم پهن کننده، ازلحاظ زمانی تا مرتبهی پیکوثانیه پهن میگردند. تپ پس از عبور از محیط تقویتکننده و افزایش انرژی آن توسط یک سیستم فشردهساز به پهنای اولیهی خود بازگردانده میشود. یکی دیگر از مهمترین چالشهای پیش رو در این سیستمها، کنترل پاشندگیهای کل مرتبه بالا نظیر مرتبه سوم و مرتبه چهارم است. در صورت جبران نشدن این پاشندگیها، تأثیر نامطلوب خود را بر روی شکل زمانی تپ تقویتشدهی نهایی نشان میدهند.
تاکنون روشهای متعددی برای کنترل پاشندگی مرتبه سوم پیشنهادشده است .[3] یکی از کاربردیترین روشها، تغییر زاویه فرود در فشردهساز نسبت به زاویه فرود در پهن کننده است که در سال 1997 توسط کِین و همکارانش ارائه گردید .[4] بهمنظور جبران پاشندگی مرتبه چهارم کل لی و همکارانش در سال 2015 یک روش برمبنای استفاده از سیستم گریزم - ترکیب جفت توری و منشور - مابین بخش پهن کننده و فشردهساز و پس از تقویتکننده بیان کردند. این روش، به علت نیاز به یک سیستم گریزم علاوه بر بخش فشردهساز و پهن کننده، کنترل پارامترهای سیستم را پیچیدهتر میکند .[5] در این مقاله یک روش بدیع جهت جبران همزمان پاشندگی مرتبه سوم و چهارم با استفاده از تغییرات جزئی در فشردهسازهای گریزم معمولی بهصورت چرخش منشور نسبت به توری پیشنهاد خواهد گردید.
-2 سیستم تقویتکنندهیتپ چِرپ شده
همانطور که در مقدمه بیان گردید، جهت تقویت تپهای فمتوثانیه از روش CPA استفاده میگردد. این سیستم دارای سه بخش اصلی است که شامل پهن کنندهی تپ، محیط تقویتکننده و فشردهساز است. شکل - 1 - یکی از مناسبترین چیدمانهای بدون ابیراهی برای بخش پهن کننده موسوم به آرایش آفنر [6] را بهصورت طرحواره نشان میدهد. سیستم آفنر که در اینجا در نظر گرفتهشده است دارای توری با چگالی خط برابر با 1200 line/mmو شعاع انحنای آیینهی مقعر برابر با 1024 میلیمتر و دو برابر شعاع انحنای آیینهی محدب و زاویهی فرود به توری 38 درجه است.
مشتقات مرتبهی دوم به بعد تابع فاز در فرکانس مرکزی تپ را مراتب مختلف پاشندگی مینامند که هریک بهگونهای بر نیمرخ زمانی تپ تأثیرگذار هستند. پهنشدگی تپ نتیجهی پاشندگی مرتبهی دوم یا پاشندگی سرعت گروه - GDD - ، است که در صورت مساوی و مختلفالعلامه بودن پاشندگی مرتبهی دوم سیستم فشردهساز با مجموع پاشندگیهای مرتبهی دوم پهن کننده و محیط تقویتکننده، تپ خروجی از CPA همان پهنای زمانی تپ اولیهی ورودی به آن را خواهد داشت. در سیستم جفت توری، جبران پاشندگی مرتبه دوم تپ خروجی از پهن کننده و تقویتکننده با تنظیم فاصلهی بین توریها صورت میگیرد. با اینوجود مقداری پاشندگی مرتبهی سوم - TOD - باقی میماند.
وجود پاشندگی مرتبهی سوم باقیمانده، زیر تپهایی در دنبالهی تپ اصلی به وجود میآورد که کیفیت و تباین زمانی تپ خروجی را بسیار کاهش میدهند. در نمودار شکل - 2 - ، نیمرخ زمانی یک تپ 15 فمتوثانیهی خروجی از دو سیستم CPA با فشردهسازهای تریسی باقابلیت تنها جبران پاشندگی مرتبه دوم و همچنین با قابلیت جبران همزمان پاشندگی مرتبه دوم و سوم شبیهسازی و مقایسه شده است. جبران پاشندگی مرتبهی سوم که در این قسمت انجامگرفته است بر مبنای روش مرجع [4] با افزایش 1/5 درجهای زاویه فرود در فشردهساز نسبت به پهن کننده است.
محدودیت این روش قابلیت آن در جبران تا پاشندگی مرتبه سوم است. حالآنکه در تپهای بسیار کوتاه - زیر 30 فمتوثانیه - پاشندگی مرتبه چهارم - FOD - باقیمانده قادر به اعمال تأثیر قابلتوجهی بر توان قلهی تپ و کاهش آن است. همانطور که شکل - 2 - نشان میدهد، درصورتیکه حتی پاشندگی مرتبه سوم نیز برطرف گردد،برای یک تپ پهن باندِ 15 فمتوثانیه توان قلهی تپ در حدود 0/4 مقدار ایدهآلش خواهد بود.
-3 سیستم فشردهساز گریزم
یکی از سیستمهایی که جهت فشردهسازی تپها استفاده میگردد، سیستم جفت گریزم است. سیستم جفت گریزم ترکیبی از دو سیستم جفت توری و جفت منشور باقابلیت جبران همزمان پاشندگی مرتبه دوم و سوم است .[8] در شکل - 3 - ، شمایی از این سیستم آورده شده است.
