프리즘 압축기

프리즘 압축기는 다른 파장 구성요소에 다른 시간 지연을 부여하여 양성적으로 짹짹거리는 울트라 포터 레이저 펄스의 지속시간을 단축하기 위해 사용되는 광학 장치다.그것은 전형적으로 두 개의 프리즘과 거울로 구성되어 있다.그림 1은 그러한 압축기의 구조를 보여준다.프리즘 물질의 분산으로 인해 다른 파장 구성 요소가 다른 경로를 따라 이동하지만, 압축기는 모든 파장 구성 요소가 다른 시간에 컴프레서를 떠나지만 동일한 방향으로 이동하도록 구축된다.레이저 펄스의 서로 다른 파장 성분이 이미 시간 내에 분리되어 있었다면 프리즘 압축기가 그것들을 서로 겹치게 하여 맥박이 짧아지게 할 수 있다.

프리즘 압축기는 일반적으로 Ti:sapfire 모델 고정 레이저 내부의 분산을 보상하기 위해 사용된다.내부의 레이저 펄스가 레이저 캐비티 내부의 광학적 구성품을 통해 이동할 때마다 늘어나게 된다.캐비티 내부의 프리즘 압축기는 이러한 캐비티 내 분산을 정확히 보상하도록 설계할 수 있다.또한 레이저 충치 바깥에 울트라 포터 펄스가 분산된 것을 보완하는 데도 사용할 수 있다.

프리즘 펄스 압축은 1983년 디텔 등에 의해 단일 프리즘을 사용하여 처음 도입되었으며, 1984년 포크 등에 의해 4프리즘 펄스 압축기가 시연되었다.^[1][2]추가적인 실험 개발에는 프리즘-페어 펄스 컴프레서와^[3] 반도체 레이저용 6프리즘 펄스 컴프레서가 포함된다.^[4]맥박압축에 대한 다단계 산포 이론은 1982년 듀아르테와 파이퍼에 의해 도입되었고,^[5] 1987년 제2차 파생상품으로 확대되었으며,^[6] 2009년에는 고차 단계 파생상품으로 확대되었다.^[7]

프리즘에서 멀티패스 배열을 가능하게 하기 위해 측면 반사체가 있는 대형 프리즘을 사용하는 추가 압축기가 2006년에 도입되었다.^[8]

작동 원리

가시광선에 대해 투명한 거의 모든 광학 물질은 정상 또는 양의 분산을 가지고 있다: 파장 증가에 따라 굴절률이 감소한다.긴 파장은 이러한 물질들을 통해 더 빨리 이동한다는 것을 의미한다.프리즘 압축기의 프리즘도 마찬가지다.그러나 프리즘의 양의 분산은 긴 파장 성분이 두 번째 프리즘을 통해 이동해야 하는 여분의 거리에 의해 상쇄된다.짧은 파장은 공기를 통해 더 큰 거리를 이동하기 때문에 이것은 다소 섬세한 균형이다.그러나 지오메트리의 신중한 선택으로 다른 광학적 요소로부터의 양의 분산을 보상할 수 있는 음의 분산을 만들 수 있다.이것은 그림 3에 나와 있다.프리즘 P2를 위아래로 이동시킴으로써 압축기의 분산은 굴절률 n = 1.6(빨간색 곡선)과 양(파란색 곡선) 둘 다 음이 될 수 있다.프리즘 P2는 광선이 완전히 빗나가기 전에 단거리에서만 위쪽으로 이동할 수 있기 때문에 음의 산포를 가진 범위는 비교적 짧다.

원칙적으로 α 각은 프리즘 압축기의 분산 특성을 조정하기 위해 변경할 수 있다.그러나 실제로는 입사 빔과 굴절 빔이 압축할 스펙트럼의 중심 파장에서 동일한 각도를 갖도록 형상을 선택한다.이 구성은 "최소 편차의 각도"라고 알려져 있으며 임의의 각도보다 정렬하기 쉽다.

BK7 유리와 같은 대표적인 물질의 굴절률은 울트라쇼트 펄스로 덮인 수십 나노미터 이내에서 소량(0.01~0.02)만 변화한다.실제 크기 내에서 프리즘 압축기는 파장 성분들 사이의 경로 길이 차이의 수백 μm만 보상할 수 있다.단, 대형 굴절률 재료(SF10, SF11 등)를 사용함으로써 보상 거리를 mm 레벨까지 연장할 수 있다.이 기술은 Ti:sapfire 결정 보정을 위해 펨토초 레이저 캐비티 내부에서, 그리고 다른 요소들이 도입한 분산 보정을 위해 외부에서도 성공적으로 사용되어 왔다.그러나 다른 광학적 소자는 물론 프리즘 압축기 자체에 의해 고차 산포가 도입될 것이다.초음파 펄스를 세심하게 측정하여 보정할 수 있으며 위상 왜곡을 보정할 수 있다.MIIPS는 고차 산포를 자동으로 측정하고 보정할 수 있는 펄스 형상 기법 중 하나이다.펄스의 혼탁한 형태로서 엔드 미러는 때때로 기울어지거나 심지어 변형되어 광선이 같은 경로로 이동하거나 분열이 되지 않는다는 것을 받아들인다.

분산 이론

레이저 펄스 압축에 적용할 수 있는 일반화된 프리즘 배열의 각도 분산은 다중 프리즘 분산 이론을 사용하여 정확하게 계산할 수 있다.^[5][6][7]특히 산포, 그 첫 번째 파생상품, 그리고 두 번째 파생상품은 다음과^[5][6][7][9] 같이 주어진다.

$\displaystyle \phla _{n}\phi _{2,m}=H_{2,m}+(M^{-1}){\bigg (}H_{1,m}\pm \nabla _{n}\pm \nabla _{n}\phi _{2,(m-1)}{\bigg )}}}}}}}}}}}}$

${\displaystyle \chla _{n}^{2}\phi _{2,m}=\phla _{n}H_{2,m}+(\nabla _{n}M^{-1}){\bigg (}H_{1,m}\pm \nabla _{n}\phi _{2,(m-1)}{\bigg )}+(M^{-1}){\bigg (}\nabla _{n}H_{1,m}\pm \nabla _{n}^{2}\phi _{2,(m-1)}{\bigg )}}$

${\displaystyle \phla \{n}^{3}\phi _{2,m}=\phla _{n}^{2}H_{2,m}+(\nabla _{n}^{2}M^{-1}){\bigg (}H_{1,m}\pm \nabla _{n}\phi _{2,(m-1)}{\bigg )}+2(\nabla _{n}M^{-1}){\bigg (}\nabla _{n}H_{1,m}\pm \nabla _{n}^{2}\phi _{2,(m-1)}{\bigg )}+(M^{-1}){\bigg (}\nabla _{n}^{2}H_{1,m}\pm \nabla _{n}^{3}\phi _{2,(m-1)}{\bigg )}}}}}}$

어디에

$\displaystyle \nabla _{n}=\reason /\reason n}$

${\displaystyle \,M=k_{1,m}k_{2,m}}}$

${\displaystyle \,k_{1,m}=\cos \cos \poss _{1,m}/\cos \phi _{1,m}}}}$

${\displaystyle \,k_{2,m}=\cos \phi _{2,m}/\cos \cos \cos \poss _{2,m}}}}$

${\displaystyle \,H_{1,m}=(\tan\phi _{1,m}/n_{m}})$

${\displaystyle \,H_{2,m}=(\tan\phi _{2,m}/n_{m}})$

복수 프리즘 분산 이론에 대한 글에 각 수량이 정의되어 있으며, 더 높은 파생상품은 두아르테가 제시한다.^[7][9][10]

다른 펄스 압축기와 비교

가장 일반적인 다른 펄스 압축기는 만족(Chirped 펄스 증폭 참조)을 기반으로 하기 때문에 프리즘 압축기(mm가 아닌 100cm)보다 훨씬 큰 음의 분산을 쉽게 만들 수 있다.그러나 격자형 압축기는 격자재의 금속 코팅에서 고차 회절 및 흡수 손실로 인해 최소 30%의 손실이 발생한다.적절한 반반사 코팅이 있는 프리즘 압축기는 2% 미만의 손실이 발생할 수 있어 레이저 캐비티 내부에서 실현 가능한 옵션이다.게다가 프리즘 압축기는 격자형 압축기보다 싸다.

또 다른 펄스 압축 기법에서는 삐걱거리는 거울을 사용하는데, 이 거울은 반사가 음의 분산을 갖도록 설계된 유전 거울이다.삐걱거리는 거울은 제작하기 어렵다. 더욱이 산란량은 다소 적다. 이것은 레이저 빔이 프리즘 압축기와 동일한 양의 산포를 얻기 위해서는 여러 번 반사되어야 한다는 것을 의미한다.조율하기 어렵다는 뜻이다.반면에, 삐걱거리는 거울 압축기의 분산은 특정한 분산 곡선을 갖도록 제조될 수 있는 반면 프리즘 압축기는 훨씬 더 적은 자유도를 제공한다.처프드 미러 압축기는 대역폭이 매우 큰 펄스를 압축해야 하는 애플리케이션에서 사용된다.

참고 항목

• 삐걱거리는 펄스 증폭
• Ti:사파이어 레이저
• 모델코킹
• 울트라쇼트 펄스
• 펨토초 레이저 펄스의 고차 왜곡을 보정하고 교정하는 기술인 MIIPS.
• 다자유분산 이론

참조