ATF является единственной лазерной установкой в ​​мире, работающей с CO2-лазером пикосекундного и тераваттного класса в режиме чирпированного импульсного усиления (CPA). Генерация лазерного луча в среднем ИК-диапазоне начинается с микроджоулевого субпикосекундного импульса затравки 9-11 микрон в оптическом параметрическом усилителе (ОРА), накачиваемом лазером на титан-сапфире. В зависимости от выбранного режима, семена могут быть центрированы на спектральных ветвях CO2 9R или 10R. Затем лазерный импульс подвергается частотному чирпированию и фильтруется в решетчатом натяжителе, чтобы соответствовать спектру усиления усилителей CO2. Импульс чирпированного лазера усиливается до энергии ~ 10 мкм в высоком давлении, регенеративный усилитель CO2 изотопно обогащен ~ 50% кислорода-18. Смесь изотопов обеспечивает плавную огибающую спектрального усиления, чтобы избежать расщепления импульсов из-за спектральной модуляции вращательной структурой CO2.

Усиленный импульс от регенеративного усилителя затем проходит несколько проходов через конечный усилитель высокого давления, где эволюция импульса зависит от содержания газа в усилителе. При неизотопном газе CO2, заполняющем конечный усилитель, оптимальная длина волны лазера определяется самой сильной полосой 10R в спектре усиления. В этом режиме работы спектральная ширина этой полосы определяет длительность импульса с ограничением полосы пропускания 3,5 пс после усиления. Усиленный импульс частично расщепляется с интервалами 25 пс, что определяется вращательной структурой в спектре усиления CO2. Выходной импульс от конечного усилителя сжимается с помощью дифракционных решеток в компрессоре CPA, обеспечивающих пиковую выходную мощность в классе ~ 1 ТВт.

Схема лазерной системы CO2 ATF в том виде, в котором она в настоящее время сконфигурирована (2017).

Плазменный затвор доступен для отделения пользовательских экспериментов от лазерной системы. Плазменный затвор служит для блокирования паразитных указаний от точки взаимодействия с плазмой в пользовательском эксперименте (например, LWFA или ускорение ионов) путем поглощения их плазмой с надлежащей синхронизацией, поджигаемой лазером YAG с модуляцией добротности.

ATF осуществляет постоянную исследовательскую программу, направленную на оптимизацию лазерной системы CO2 для обеспечения более высокой пиковой мощности и более коротких выходных импульсов. В ближайшем будущем мы установим использование изотопных смесей CO2 в конечном усилителе. Это оптимизирует спектр конечного усилителя так, чтобы он совпадал с спектром регенеративного усилителя, где более сильная и широкая спектральная полоса 9R обеспечивает усиление, которое практически не имеет точной модуляции, определяемой вращательной структурой. Это значительно уменьшит искажения лазерного импульса в процессе усиления и обеспечит более короткую, ~ 2 пс, ограниченную преобразованием ширину импульса при сжатии. Это обеспечит почти вдвое большую пиковую выходную мощность по сравнению с текущей производительностью системы. Вторым среднесрочным направлением исследований и разработок в ATF является разработка нелинейного сжатия импульсов для обеспечения еще более коротких лазерных импульсов для наших пользователей.

В долгосрочной перспективе, основы для модернизация CO2 лазера сверхбыстрый режим> 10 ТВТ внедряется в BNL Building 912 в рамках модернизации ATF-II.