ARPESは、導体や絶縁体などの完全な電子バンド構造をマッピングするために用いられる。時間・角度分解光電子分光法（TR-ARPES）はフェムト秒の時間分解能を追加し、電子バンド構造における素粒子散乱過程も分解する。

空間電荷問題（電子同士の反発）を回避するため、レーザー照射ごとに生成・分析される電子は1個以下であるべきである。このため、中程度のエネルギーで高発振レートの光源が必要となり、200kHzでの完全な測定には通常4時間を要する。

SatsumaXやTangor 100などのイッテルビウムレーザーの振幅範囲は、この用途に理想的な駆動光源である。COMPRESSやHHGチャンバーなどの追加モジュールをFastlite twinStarzz MIR OPAと組み合わせることで、単一サプライヤーから独自のTR-ARPESシステムを構築できる最先端デバイス群が実現する。

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X선 회절을 이용한 초고속 구조 동역학

X선 회절은 원자 규모에서 물질 구조의 초고속 역학에 대한 정보를 제공하는 기술이다. 시료는 일반적으로 자외선, 가시광선, 중적외선 또는 테라헤르츠 영역의 초단파 레이저 펄스로 먼저 여기된 후, X선 싱크로트론 또는 자유전자빔, 혹은 ‘2차 소스 – X선 소스’ 섹션에서 설명된 소형 레이저 구동 X선 소스로 탐사됩니다.

펌프와 프로브가 별도의 시스템에서 생성될 경우, 종속 레이저(일반적으로 펌프)와 주 레이저(일반적으로 프로브)의 전자적 동기화를 통해 시간 스캐닝이 수행됩니다.

펌프와 프로브 모두 레이저 기반 소스를 사용하는 경우, 동기화는 본질적으로 초정밀하며, 펨토초 정밀도의 간단한 가변 광학 지연선을 통해 스캐닝이 달성됩니다. Amplitude는 광학 펌프 및 X선 프로브와 그 시간 스캐닝을 위한 광범위한 솔루션을 제공합니다: 이테르븀 레이저로 펌핑되는 OPCPA 소스, 레이저 구동 X선 소스를 위한 레이저 드라이버, 가속기 기반 X선 소스를 위한 FEL/싱크로트론용 광음극 레이저 등이 있습니다. 각 경우에서 전자적 동기화는 시간 스캐닝을 보장하는 핵심 기술입니다.

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합주파수 발생 원리

이 기술은 시료에서 중적외선 탐침과 가시광 펌프의 시간적·공간적 중첩을 모두 요구합니다. 그러면 두 입사장 주파수의 합인 주파수에서 SFG 신호가 발생합니다. 이는 관측이 어려운 중적외선 영역의 관심 분자 지문을 저렴하고 빠르며 편리하고 효율적인 검출 방법이 가능한 가시광 영역으로 변환합니다. SFG 빔 특성은 기체-고체, 기체-액체 및 액체-고체 계면에서의 분자 조성, 배향 분포 및 구조 정보를 제공한다.

가시광 펌프는 충분한 분광 분해능을 확보하여 종의 진동 지문을 구분하기 위해 스펙트럼이 좁아야 합니다. 그러나 과거에는 좁은 대역폭의 중간 적외선 펄스를 스캔하는 방식이 가장 일반적이었으나, 현대 설비에서는 광대역 중간 적외선 OPA 시스템을 프로브로 사용하여 일반적으로 1000~4000cm⁻¹ 범위의 광범위한 분자 진동을 커버합니다.

SatsumaX 또는 Tangor로 펌핑되는 Fastlite twinStarzz 중적외선 OPA 시스템은 높은 효율과 높은 반복률을 결합하여 더 높은 신호 대 잡음비와 더 짧은 획득 시간을 가능하게 하여 이 응용 분야에 이상적인 도구입니다. twinStarzz의 독특한 접근 방식은 전례 없는 단순성, 신뢰성 및 효율성으로 고에너지 및 광대역 중적외선 펄스를 생성할 수 있게 합니다. 좁은 대역폭의 가시광 펌프는 이터븀 펌프의 혁신적인 2차 고조파 발생(SHG)을 통해 생성됩니다.

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응용 분야 및 요구 사항

우수한 시간 분해능으로 초고속 동역학을 포착하기 위해, 2DIR에는 일반적으로 100fs 미만의 펄스가 사용되며, 2DES에는 20fs 미만의 펄스가 흔히 사용됩니다.

• 2DES는 광합성의 역학을 이해하는 데 매우 강력한 도구이며, 현재의 태양 에너지 기술을 향상시키는 데 필수적인 도구입니다.
• 2DIR은 제약 연구에서 널리 사용됩니다.
• 최근에는 이 두 기법의 일부 조합을 통해 전자 및 핵 동역학(2차원 전자 진동 분광법인 2DEV)을 상관관계 분석하는 것까지 가능해졌습니다.

SatsumaX 및 Tangor100과 같은 이터븀 레이저의 진폭 범위는 Fastlite twinStarzz OPA와 결합 시 이 응용 분야에 탁월한 후보이지만, Fastlite Dazzler는 위상 고정 펌프 펄스 생성과 펄스 간 지연 및 위상 변동 제어를 획기적으로 단순화하므로 대부분의 설정에 필수적입니다. 다시 말해, Dazzler는 단순한 펌프/프로브 설정을 즉시 2차원 분광법 설정으로 전환합니다.

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THz-TDS용 레이저 솔루션

2차 소스 – 테라헤르츠 발생 섹션에서 언급된 바와 같이, 사용되는 펄스 에너지와 스펙트럼 범위에 따라 다양한 레이저 및 변환 공정이 활용될 수 있습니다. Amplitude는 광범위한 솔루션을 제안합니다:

• 이중 색상 필라멘테이션을 통한 광대역 테라헤르츠 발생에는 초단파 TiSa 레이저가 널리 사용되어 왔으며, 현재는 후압축 이터븀 레이저에 대한 관심이 증가하고 있습니다.
• 유기 결정에서의 광 정류에는 일반적으로 이터븀 레이저가 선호됩니다.
• 유기 결정의 경우 MIR OPCPA 소스가 최상의 선택입니다.

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초고속 레이저를 이용한 소형 고휘도 광원

실험실에서 초고속 레이저가 새로운 물리적 과정을 통해 이러한 한계를 극복할 수 있다는 사실이 빠르게 확인되었습니다. 고강도 빔이 고체 표적에 집중되면 매우 제한된 공간에서 고온 플라즈마가 생성됩니다. 플라즈마 내 전자들은 기존 튜브와 마찬가지로 표적에 충돌할 때 X선으로 변환되지만, 적절한 레이저 파라미터를 선택할 경우 훨씬 더 높은 강도로 발생합니다.

이 레이저 기반 기술은 다음과 같은 이점을 제공합니다:

• X선 튜브보다 현저히 높은 밝기의 광원 구현,
• 공간 해상도 대폭 향상과 함께 축적 선량 감소,
• 모든 연구자가 싱크로트론 광원에서 신뢰할 수 있는 결과를 더 쉽게 활용할 수 있는 환경 조성.

우리는 이 새로운 X선 광원이 향후 몇 년 내 병원에서 고해상도 영상 접근을 가능케 함으로써 의료 영상 분야에 혁신을 가져올 것이라고 확신합니다.

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레이리 산란 및 라만 산란 기술은 레이저 광을 이용하여 연소 과정을 탐사합니다. 산란된 신호는 분자 구성, 온도 및 유동 특성에 대한 정보를 제공하여 연소 역학의 상세한 분석을 가능하게 합니다.

플라즈마 진단을 위한 톰슨 산란

플라즈마는 이온이나 전자와 같은 다양한 형태의 하전 입자가 상당 부분 존재하는 물질 상태입니다. 주로 플라즈마를 구성하는 각 하전 입자의 밀도, 온도 및 공간 분포로 특징지어집니다.

플라즈마 진단: 톰슨 산란

톰슨 산란은 레이저로 플라즈마를 조사하고 산란된 빛을 분석하여 전자의 온도와 밀도를 추출하는 기술입니다.

구조 진단: X선 회절 및 흡수

물질이 극한 조건(예: 고압 또는 고온)에 놓일 때, X선 소스를 사용하여 그 특성을 분석합니다:

• X선 회절(XRD): 물질의 구조적 진화를 보여줍니다.
• X선 흡수 분광법: 국소 원자 환경에 대한 정보를 제공합니다. 기술에는 다음이 포함됩니다:
  • XANES(X선 흡수 근연계 구조)는 전자 및 화학적 상태 정보를 제공합니다.
  • XAFS(X선 흡수 미세 구조)는 상세한 원자 규모의 구조 정보를 제공합니다.

앰플리튜드의 고에너지 초고속 레이저는 티타늄 사파이어 시스템부터 이테르븀 플랫폼에 이르기까지, 연소 과학, 플라즈마 물리학 및 극한 물질 연구 분야의 첨단 진단을 주도하는 데 필요한 안정성, 펄스 성형 및 정밀도를 제공합니다.

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압축 및 점화 전략

관성 구속 핵융합(ICF)은 고에너지 레이저 빔을 나노초 단위의 짧은 시간 동안 구형 연료 표적에 집중시켜 표적을 단열적으로 압축 및 가열하고, 추가 레이저 빔을 이용해 핵융합 반응을 점화하는 기술이다. 궁극적인 목표는 관성 핵융합 에너지(IFE)라 불리는 발전소에서 에너지를 생산하는 것이다. 이를 위해서는 전력망에 상당하고 수익성 있는 전력 생산을 가능하게 할 만큼 충분한 총 평균 출력과 벽플러그 효율을 가진 레이저 빔을 공급해야 합니다.

압축 및 점화 전략은 여전히 학계 전문가들 사이에서 차이가 있지만, 탐색 연구 단계에서는 분당 몇 발의 횟수로, 이후 실용화 단계에서는 높은 반복률(일반적으로 10Hz)과 높은 벽플러그 효율로 작동하는 kJ급 레이저에 대한 공통된 필요성이 존재합니다.

압축을 위한 핵심 기술적 측면 중 하나는 압축 과정을 최적화하기 위해 레이저 펄스의 시간적 프로파일을 형성하는 능력입니다. 이 기능은 Amplitude 나노초 레이저(Intrepid-Agilite)에 일상적으로 사용되는 유연한 시더 덕분에 보장됩니다.

점화에 있어 한 가지 전략은 압축된 표적을 관통하여 핵융합 과정을 점화할 양성자를 생성하는 것이다. 2차 소스 섹션에서 언급된 바와 같이, 양성자 생성은 레이저 구동기의 시간 대비 품질에 달려 있다.

앰플리튜드는 고에너지 나노초 레이저 분야의 선도 기업으로, 지난 10년간 고강도 레이저의 고속 반복률 펌핑 분야에서 중대한 성과를 거두었습니다. 이러한 독보적인 노하우는 관성 핵융합 기술의 과제 해결을 위한 솔루션의 신속한 개발을 위한 핵심 출발점입니다.

또한 고대비 레이저 분야의 오랜 경험을 바탕으로 앰플리튜드는 핵융합 기술 개발의 최전선에 서 있습니다.

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