[논문 리뷰] A Survey of Spatio-Temporal Couplings throughout High-Power Ultrashort Lasers

Jeandet, Antoine, Jolly, Spencer W.외 20명|arXiv (Cornell University)|2021. 09. 26.

Laser-Matter Interactions and Applications인용 수 44

한 줄 요약

이 논문은 고출력 초단파 레이저에서 펄스 증폭의 여러 단계를 거친 스펙트럼-시간 결합(이하 STC)에 대한 첫 번째 체계적 조사 결과를 제시한다. TERMITES 및 INSIGHT와 같은 고급 전장 진단 기법을 사용하여 레이저 체인의 다양한 지점에서 복잡한 STC 효과를 규명하였으며, 초단파 레이저의 성능 최적화 및 기본 역학 이해를 위해 전체 시스템 전반의 STC 특성 분석이 필수적임을 입증한다.

ABSTRACT

The investigation of spatio-temporal couplings (STCs) of broadband light beams is becoming a key topic for the optimization as well as applications of ultrashort laser systems. This calls for accurate measurements of STCs. Yet, it is only recently that such complete spatio-temporal or spatio-spectral characterization has become possible, and it has so far mostly been implemented at the output of the laser systems, where experiments take place. In this survey, we present for the first time STC measurements at different stages of a collection of high-power ultrashort laser systems, all based on the chirped-pulse amplification (CPA) technique, but with very different output characteristics. This measurement campaign reveals spatio-temporal effects with various sources, and motivates the expanded use of STC characterization throughout CPA laser chains, as well as in a wider range of types of ultrafast laser systems. In this way knowledge will be gained not only about potential defects, but also about the fundamental dynamics and operating regimes of advanced ultrashort laser systems.

연구 동기 및 목표

• 고출력 초단파 레이저에서 출력 단계를 넘어서 스펙트럼-시간 결합(STC)을 조사하기 위해.
• 스패이크터, 증폭기, 압축기 등 CPA 레이저 체인의 다양한 단계에서 STC의 원인을 규명하고 특성화하기 위해.
• 레이저 체인 전반에서 3차원 스펙트럼-시간 장(진폭 및 위상)의 완전한 특성화가 가능하고 필수적임을 입증하기 위해.
• OPCPA, 일관된 병렬 증폭, 페타와트급 향후 시스템을 포함한 고급 초단파 레이저 시스템에서 STC 측정 기술의 광범위한 도입을 촉진하기 위해.
• 향후 세대 초단파 레이저에서 복잡한 STC 효과를 진단하고 최적화하기 위한 기초 데이터셋과 방법론을 제공하기 위해.

제안 방법

• TERMITES(시간 해상도가 있는 스펙트럼 간섭법) 및 INSIGHT(공간 해상도가 있는 푸리에 변환 스펙트럼 분석법)와 같은 두 가지 고급 전장 진단 기법을 사용하였다.
• 빔 전파 축을 따라 여러 평면에서 근거리에서의 복소 전기장 E(x, y, ω) 또는 Ẽ(x, y, ω)를 측정하였다.
• 다양한 축 방향 위치에서 측정된 스펙트럼 강도 프로파일에서 공간 위상을 추출하기 위해 반복적인 Gerchberg-Saxton 유사 위상 복원 알고리즘을 적용하였다.
• 평면파 분해를 이용한 수치적 빔 전파 방법을 사용하여 측정된 장을 의심되는 STC 원천(예: 격자, 증폭기)으로 후진 전파하였다.
• 피크 전력이 0.1 TW에서 1 PW에 이르는 6종의 고출력 CPA 레이저 시스템에 대해 두 기법을 적용하였으며, 다양한 반복 주기로 작동하였다.
• 벡터성 비근사 푸리에 방법과 적응형 시간 슬라이싱을 적용한 스텝-스텝 알고리즘을 사용한 복소적 비선형 증폭기의 수치 시뮬레이션을 수행하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고출력 초단파 레이저의 CPA 체인에서 다양한 단계에서 관찰되는 스펙트럼-시간 결합(STC)의 유형은 무엇인가?
• RQ2 STC는 스패이크터, 증폭기, 압축기, 최종 출력 단계에 이르기까지 레이저 체인 전반에서 어떻게 변화하는가?
• RQ3 격자, 프리즘, 증폭 매질과 같은 내재된 구성 요소들이 STC 형성에 어느 정도 기여하는가?
• RQ4 전체 3차원 스펙트럼-시간 특성(진폭 및 위상)을 통해 이전에 발견되지 못한 STC 효과가 비침습성 및 집중성에 영향을 미치는지 규명할 수 있는가?
• RQ5 실제 레이저 시스템에서 고공간 주파수 특성을 갖는 STC 요소를 해석할 때, TERMITES와 INSIGHT 기술 간의 성능 비교는 어떻게 이루어지는가?

주요 결과

• 모든 6종의 고출력 CPA 레이저에서 스패이크터, 증폭기, 출력 단계 등 여러 단계에서 STC 효과가 관측되었으며, 이는 STC가 최종 압축 단계에 국한되지 않고 광범위하게 존재함을 시사한다.
• Salle Noire 레이저는 압축 후 강한 STC를 보였으며, 공간에 따라 달라지는 스펙트럼 이동과 시간적 왜곡이 발생하여 수 사이클 펄스 생성에 영향을 주었다.
• UHI–100 시스템에서는 압축기의 잔류 위상 왜곡으로 인해 출력 빔에서 STC가 확인되었으며, 이는 입자 가속 효율성에 악영향을 주었다.
• TERMITES는 특히 근거리에서 고공간 주파수 특성을 갖는 STC 요소를 INSIGHT보다 더 높은 해상도로 해석함을 입증하였다.
• 측정된 장을 의심되는 STC 원천(예: 격자)의 광학 평면으로 후진 전파한 결과, STC의 기원이 특정 구성 요소로 추적 가능함을 확인하였다.
• 본 연구는 STC가 단순한 결함이 아니라 광대역 빔 조작에 기인한 CPA 시스템의 본질적 특성임을 규명하였으며, 최적화를 위해 전장 진단이 필수적임을 입증하였다.