처프 펄스 증폭

처프 펄스 증폭(Chirped pulse amplification, CPA)은 초단 레이저 펄스를 페타와트 수준까지 증폭하는 기술로, 레이저 펄스가 시간적으로나 스펙트럼적으로 늘려진 다음 증폭되고 다시 압축된다. 늘림과 압축은 펄스의 다른 색상 구성 요소가 다른 거리를 이동하도록 하는 장치를 사용한다.

레이저용 CPA는 1980년대 중반 도나 스트리클런드와 제라르 무루가 로체스터 대학교에서 도입했으며, 이 연구로 그들은 2018년에 노벨 물리학상을 수상했다.

CPA는 전 세계 대부분의 고출력 레이저에 사용되는 기술이다.

배경
1980년대 중반 CPA가 도입되기 전에는 레이저 펄스의 최대 출력이 제한되었는데, 이는 기가와트/제곱 센티미터의 복사조도를 가진 레이저 펄스가 자기 초점화와 같은 비선형 과정을 통해 활성 레이저 매질에 심각한 손상을 입히기 때문이었다. 예를 들어, 가장 강력하게 압축된 CPA 레이저 빔 중 일부는 초점이 맞춰지지 않은 큰 개구부(압축 회절격자를 나온 후)에서도 700 GW/cm2 이상의 강도를 초과할 수 있는데, 만약 공기나 레이저 이득 매질에서 전파되도록 허용되면 즉시 자기 초점화되어 플라스마를 형성하거나 필라멘트 전파를 일으켜 원래 빔의 바람직한 특성을 손상시키고 심지어 레이저 구성 요소를 손상시킬 수 있는 역반사를 유발할 수 있다. 레이저 펄스의 강도를 비선형 효과의 임계값 아래로 유지하려면 레이저 시스템은 크고 비싸야 했으며, 레이저 펄스의 최대 출력은 매우 큰 다중 빔 시설의 경우 기가와트 수준이나 테라와트 수준으로 제한되었다.

반면에 CPA에서는, 초단 레이저 펄스가 이득 매질에 도입되기 전에 시간적으로 늘려지는데, 이는 레이저 펄스의 저주파수 구성 요소가 고주파수 구성 요소보다 짧은 경로를 이동하도록 배열된 한 쌍의 회절격자를 사용하여 이루어진다. 회절격자 쌍을 통과한 후 레이저 펄스는 양의 처프를 띠게 되는데, 즉 고주파수 구성 요소가 저주파수 구성 요소보다 뒤처지며, 원래보다 1000배에서 배 더 긴 펄스 지속 시간을 갖게 된다.

그런 다음, 기가와트/제곱 센티미터의 강도 한계에 비해 강도가 충분히 낮은 늘려진 펄스는 이득 매질에 안전하게 도입되어 백만 배 이상 증폭된다. 마지막으로, 증폭된 레이저 펄스는 늘리는 과정을 역전시켜 원래의 펄스 폭으로 다시 압축되어, CPA 발명 이전에 레이저 시스템이 생성할 수 있었던 것보다 몇 배 더 높은 최대 출력을 달성한다.

더 높은 최대 출력 외에도 CPA는 레이저 시스템을 소형화할 수 있게 한다(압축기가 가장 큰 부분이다). CPA 기술을 기반으로 탁상형 테라와트 레이저(T3 레이저, 일반적으로 의 에너지를  내에 전달)라고 알려진 소형 고출력 레이저를 만들 수 있다.

스트레처 및 압축기 설계

압축기와 스트레처를 구성하는 방법에는 여러 가지가 있다. 그러나 일반적인 Ti:사파이어 기반 처프 펄스 증폭기는 펄스가 수백 피코초까지 늘어나야 하며, 이는 다른 파장 구성 요소가 경로 길이에서 약 10 cm의 차이를 경험해야 한다는 것을 의미한다. 이를 달성하는 가장 실용적인 방법은 회절격자 기반 스트레처와 압축기를 사용하는 것이다. 스트레처와 압축기는 분산 특성으로 구분된다. 음의 분산에서는 주파수가 높은 빛(파장이 짧은 빛)이 주파수가 낮은 빛(파장이 긴 빛)보다 장치를 통과하는 데 시간이 덜 걸린다. 양의 분산에서는 그 반대이다. CPA에서 스트레처와 압축기의 분산은 상쇄되어야 한다. 실용적인 고려 사항 때문에 (고출력) 압축기는 일반적으로 음의 분산으로 설계되고, (저출력) 스트레처는 따라서 양의 분산으로 설계된다.

원칙적으로 광학 장치의 분산은  함수인데, 여기서 는 주파수 성분 가 경험하는 시간 지연이다. (때로는  위상이 사용되는데, 여기서 는 빛의 속도이고 는 파장이다.) 시드 레이저에서 압축기 출력까지 전체 체인의 각 구성 요소는 분산에 기여한다. 결과 펄스가 약 100 펨토초보다 짧도록 스트레처와 압축기의 분산을 조정하는 것은 어려운 것으로 밝혀졌다. 이를 위해서는 추가 분산 요소가 필요할 수 있다.

회절격자 사용

그림 1은 가장 간단한 회절격자 구성을 보여주는데, 여기서 긴 파장 구성 요소는 짧은 파장 구성 요소보다 더 큰 거리를 이동한다(음의 분산). 종종 단일 회절격자만 사용되며, 그림에 표시된 두 번 대신 빔이 회절격자를 네 번 치도록 추가 거울이 있다.       섬네일|390px|그림 1. 음의 분산을 갖는 회절격자 기반 압축기의 개략적인 배치, 즉 짧은 파장(파란색)이 먼저 나온다.
    섬네일|257px|그림 2. 회절격자 압축기의 분산 차수. (p = 2 − GDD, p = 3 − TOD, p = 4 − FOD, p = 5 − FiOD, p = 6 − SiOD, p = 7 − SeOD, p = 8 − EOD, p = 9 − NOD, p = 10 − TeOD)
   이 설정은 고강도 펄스를 다룰 때 원치 않는 부작용을 일으킬 수 있는 투과성 구성 요소를 포함하지 않으므로 일반적으로 압축기로 사용된다. 두 회절격자 사이의 거리를 변경하여 분산을 쉽게 조정할 수 있다. 이러한 압축기에 의해 도입된 분산은 종종 분산 차수, 즉 군 지연 분산(GDD), 3차 분산(TOD) 등으로 설명된다. 그림 2는 도나 스트리클런드와 제라르 무루의 원래 설계(1985)에 설명된 대로 홈 밀도 , 입사각 , 정상 회절격자 간격 를 갖는 회절격자 압축기의 분산 차수를 보여주며, 이는 Lah-Laguerre 광학 형식론 - 고차 분산의 일반화된 공식을 사용하여 평가되었다.

섬네일|257px|그림 3. 회절격자 기반 스트레처의 개략적인 배치. 이 경우 는 양의 분산으로 이어지며, 즉 긴 파장(빨간색)이 먼저 나온다.

그림 3은 렌즈로 묘사된 초점 요소를 포함하는 더 복잡한 회절격자 구성을 보여준다. 렌즈는 서로  거리에 (1:1 망원경으로 작동), 회절격자와는  거리에 배치된다. 만약 이면, 이 설정은 양의 분산 스트레처로 작동하고, 만약 이면 음의 분산 스트레처로 작동한다.  경우는 펨토초 펄스 형성에 사용된다. 보통 초점 요소는 렌즈보다는 구형 또는 원통형 거울이다. 그림 1의 구성과 마찬가지로, 추가 거울을 사용하여 두 개의 개별 회절격자 대신 단일 회절격자를 사용하는 것이 가능하다. 이 설정은 빔 직경이 망원경 길이에 비해 매우 작아야 하며, 그렇지 않으면 원치 않는 수차가 발생한다. 이러한 이유로, 저강도 시드 펄스는 작은 직경의 빔으로 콜리메이션될 수 있으므로 일반적으로 증폭 단계 전에 스트레처로 사용된다.

프리즘 사용

      섬네일|390px|그림 4. 프리즘 스트레처. 이 구성은 양의 분산을 갖는다. 다른 파장이 매우 다른 경로를 따라 이동하는 것처럼 보이지만, 분산된 펄스의 색상으로 표시된 것처럼 실제 경로 길이 차이는 상당히 작다.
    섬네일|241px|그림 5. 780 nm에서 융합 실리카 프리즘 쌍 압축기의 분산 차수. (p = 2 − GDD, p = 3 − TOD, p = 4 − FOD, p = 5 − FiOD, p = 6 − SiOD, p = 7 − SeOD, p = 8 − EOD, p = 9 − NOD, p = 10 − TeOD)


그림 4와 같이 분산 요소로 회절격자 대신 프리즘을 사용할 수 있다. 이러한 간단한 변화에도 불구하고, 이 설정은 1차적으로 군 지연 분산이 도입되지 않으므로 상당히 다르게 작동한다. 이러한 스트레처/압축기는 프리즘의 기하학적 구조와 재료 특성에 따라 양의 분산 또는 음의 분산을 가질 수 있다. 렌즈를 사용하면 그림 3과 유사하게 분산의 부호를 바꿀 수 있다. 분산 요소 사이의 주어진 거리에서 프리즘은 회절격자보다 훨씬 적은 분산을 생성한다. 프리즘과 회절격자는 때때로 고차 분산("그리즘")을 보정하기 위해 결합되는데, 이 경우 프리즘 사이의 거리는 회절격자 압축기의 50 cm 대신 10 미터 정도이다. 회절격자는 다른 차수로 전력을 잃는 반면, 프리즘은 레일리 산란으로 인해 전력을 잃는다. 예를 들어, 융합 실리카 프리즘 쌍 압축기의 분산 차수는 첫 번째 프리즘의 가변 삽입 깊이 에 대해 그림 5에 설명되어 있다. 분산은 스펙트럼 대역폭 를 가진  레이저 펄스에 대해, Lah-Laguerre 광학 형식론 - 고차 분산의 일반화된 공식을 사용하여 평가되었다. 브루스터 입사각 근처에서의 압축기 매개변수는 다음과 같다: 프리즘 사이의 정상 거리 , 에서의 두 번째 프리즘 삽입 깊이 , 그리고 융합 실리카 프리즘의 꼭지각 . 특정 값은 프리즘 재료, 관심 파장 및 압축기 매개변수에 따라 달라진다.

처프 펄스의 위상 공액
개의 레이저 증폭기에서 나오는 처프 펄스는 위상 공액 거울에서의 반사를 통해 위상 고정되어 만큼 밝기를 증가시킬 수 있다. 이를 위해 퇴화된 4파 혼합 커 위상 공액이 관련된다.

기타 기술
펄스를 늘리고 압축하는 데 사용할 수 있는 다른 기술도 있지만, 이러한 기술은 제한된 분산량과 고강도 펄스를 처리할 수 없기 때문에 CPA의 주요 스트레처/압축기로는 적합하지 않다.

 펄스는 단순히 200 mm 유리와 같은 두꺼운 투명 재료 슬래브를 통해 전파되도록 함으로써 늘려질 수 있다. 프리즘과 마찬가지로 물리적으로 실용적인 차원 내에서 제한된 양의 분산만 달성할 수 있다. 가시광선 스펙트럼 외부에는 양의 분산과 음의 분산 모두에 대한 재료가 존재한다. 가시광선 및 근적외선 파장의 경우 거의 모든 투명 재료는 양의 분산을 갖는다. 그러나 유리 섬유는 요구 사항을 충족하도록 분산을 맞춤 제작할 수 있다.
 한 쌍의 처프 거울 또는 유사한 장치 사이의 하나 이상의 반사는 어떤 형태의 처프도 허용한다. 이는 종종 고차를 보정하기 위해 다른 기술과 함께 사용된다.
 대즐러는 상업용 펄스 셰이퍼로, 빛이 음향파에서 회절된다. 음향파의 타이밍, 주파수 및 진폭을 조정하여 최대 수 피코초의 지연으로 임의의 분산 함수를 도입할 수 있다.
 위상 변화 마스크는 그림 3의 스트레처 초점면에 배치되어 추가 분산을 도입할 수 있다. 이러한 마스크는 LCD 어레이일 수 있으며, 픽셀의 전압을 변경하여 위상 변화를 조정할 수 있다. 이는 최대 수십 피코초의 지연으로 임의의 분산 함수를 생성할 수 있다. 이러한 설정은 펄스 셰이퍼라고 불린다.

응용

CPA는 전 세계적으로 가장 높은 출력(약 100 테라와트 이상)을 가진 모든 레이저에 사용되는데, ≈500 TW 국립점화시설은 예외이다. 이러한 레이저의 몇 가지 예로는 러더퍼드 애플턴 연구소의 중앙 레이저 시설에 있는 불칸 레이저, 네브래스카 대학교 링컨에 있는 디오클레스 레이저, 오사카 대학 레이저 공학 연구소의 GEKKO XII 시설에 있는 GEKKO XII 레이저, 로체스터 대학 레이저 에너지 연구소의 OMEGA 레이저 및 OMEGA EP 레이저, 그리고 현재는 해체된 로렌스 리버모어 국립연구소의 이전 노바 레이저에 있던 페타와트 라인이 있다. 제라르 무루는 CPA를 사용하여 고에너지 및 저지속 레이저 펄스를 생성하여 고방사성 물질(표적에 포함된)을 변환하여 반감기를 수천 년에서 단 몇 분으로 크게 줄일 것을 제안했다.

이러한 최첨단 연구 시스템 외에도 여러 상업 제조업체에서 10~100 기가와트의 최대 출력을 가진 Ti:사파이어 기반 CPA를 판매하고 있다.

 같이 보기 

 펨토기술
 군속도
 모드 동기
 라마 증폭
 재생 증폭

 각주 

분류:레이저 물리학