상하이 광학 역학 연구소(Shanghai Institute of Optical Mechanics), 테라와트 소용돌이 펄스 생성 분야에서 새로운 진전을 이루다

최근 중국과학원(CAS) 산하 상하이 광학 및 정밀 기계 연구소(SIPM)의 강력장 레이저 물리학 국가 핵심 연구소는 테라와트 주기 규모의 단파 적외선 와류 펄스 생성 분야에서 새로운 진전을 이루었습니다. 연구팀은 고에너지 소용돌이 레이저 출력을 실현하기 위해 새로운 광장 변조 기술과 OPCPA(Optical Parametric Chirped Pulse Amplification)를 결합했습니다. 계단식 박막 비선형 포스트 펄스 압축 기술을 기반으로 테라와트 주기 규모의 단파 적외선 와류 펄스 출력이 처음으로 실현되었습니다. 관련 결과는 울트라패스트사이언스(Ultrafast Science)에 '테라와트급 소수주기 단파장 적외선 소용돌이 레이저'라는 제목으로 게재됐다.
소용돌이 빛은 나선형 파면을 갖는 공간적으로 구조화된 빔으로, 환상형 공간 강도 분포와 궤도 각운동량을 전달하는 특성으로 인해 양자 정보, 초해상도 현미경 및 광학 핀셋에 널리 사용되어 왔습니다. 또한 궤도 각운동량을 초강력 극초단 레이저에 결합하면 소용돌이 강장 물리학 및 비선형 소용돌이 현상에 대한 강력한 기술 지원과 새로운 실험 수단을 제공할 수 있습니다. 고강도 주기 규모의 소용돌이 레이저는 소용돌이 입자 빔 및 2차 방사선(예: 고립된 아토초 광학 소용돌이, 테라헤르츠 소용돌이)을 구동하는 데 광범위한 응용 분야를 가지고 있습니다. 그러나 고강도 초단 와류 펄스의 생성은 레이저 증폭 및 압축을 위한 와류 위상 구조를 유지하는 데 어려움이 있기 때문에 아직 탐색 단계에 있습니다.

그림 1 실험 설정

그림 2 (a, c, e) OPCPA 증폭 출력의 1차, 2차, 3차 소용돌이 스폿 맵. (b, d, f) 소용돌이 빔의 열 렌즈 초점 줄무늬.
이번 연구에서 연구진은 공간 위상 변조와 OPCPA 기술을 결합해 1.45μm의 고에너지 소용돌이 레이저 출력을 구현하고, 출력된 소용돌이 레이저의 우주 공간 투과 안정성을 검증했다. 계단식 박막 포스트 펄스 압축 기술을 기반으로 와류 위상 구조를 파괴하지 않고 13.7mJ/10.59fs의 테라와트 규모의 주기 규모 단파 적외선 와류 펄스 출력이 처음으로 실현되었습니다. 이 프로그램은 비선형 소용돌이 현상에 대한 기술 지원을 제공하고 초고속 궤도 각운동량 물리학 연구의 기초를 제공할 수 있습니다.

그림 3 압축된 와류 펄스의 시간 영역 측정