Dva fizika pri RIKEN-u sta realizirala izjemno kratke laserske impulze z najvišjo močjo 6 teravatov (6 bilijonov vatov) – kar je približno enakovredno moči, ki jo ustvari 6000 jedrskih elektrarn. Dosežek, ki bo prispeval k nadaljnjemu razvoju atosekundnih laserjev, je trem raziskovalcem leta 2023 prinesel Nobelovo nagrado za fiziko. Študija je bila objavljena v reviji Nature Photonics.
Tako kot lahko bliskavica fotoaparata "zamrzne" hitro premikajoče se predmete, da se zdijo, kot da stojijo na fotografiji, lahko zelo kratki laserski impulzi pomagajo osvetliti ultra hitre procese, kar znanstvenikom omogoča zmogljiv način za njihovo slikanje in zaznavanje.
Na primer, laserski impulzi reda velikosti atosekund (1 atosekunda=10-18 sekund) so tako kratki, da lahko razkrijejo gibanje elektronov v atomih in molekulah, kar zagotavlja nov način odkrivanja razvoja kemičnih in biokemičnih reakcij. Zdi se, da se celo svetloba lahko plazi na tako kratkih časovnih lestvicah, saj potrebuje približno 3 arseke, da preide skozi nanometer.
"Z zajemanjem gibanja elektronov atosekundni laserji pomembno prispevajo k osnovni znanosti," je dejal Eiji Takahashi iz RIKEN-ovega centra za napredno fotoniko (RAP), "in pričakuje se, da bodo imeli aplikacije na številnih področjih, vključno z opazovanjem bioloških celic, razvoj novih materialov in diagnoza zdravstvenih stanj."
Bolj vplivno
Čeprav je mogoče ustvariti ultrakratke laserske impulze, nimajo vpliva in imajo nizko energijo. Ustvarjanje ultrakratkih visokoenergijskih laserskih impulzov bi močno razširilo njihovo možno uporabo, pravi Eiji Takahashi: "Trenutna izhodna energija atosekundnih laserjev je izjemno nizka. Zato je povečanje njihove izhodne energije ključnega pomena, če jih želimo uporabljati kot svetlobne vire v široka paleta področij."
Tako kot se zvočni ojačevalniki uporabljajo za izboljšanje zvočnih signalov, laserski fiziki uporabljajo optične ojačevalnike za povečanje energije laserskih impulzov. Ti ojačevalniki običajno uporabljajo nelinearne kristale, ki se specifično odzivajo na svetlobo. Če pa se ti kristali uporabljajo za ojačanje enocikličnih laserskih impulzov, se lahko nepopravljivo poškodujejo. Laserski impulzi z enim ciklom so tako kratki, da se impulz konča, preden svetloba oscilira skozi celoten cikel valovne dolžine.
Največje ozko grlo pri razvoju visokoenergijskih, ultrahitrih infrardečih laserskih virov je pomanjkanje učinkovite metode za neposredno ojačanje enocikličnih laserskih impulzov,« je dejal Eiji Takahashi. Posledica tega ozkega grla je 1-milidžulska ovira za eno -ciklična energija laserskega impulza."
Postavljanje novega rekorda
Vendar je to ozko grlo zdaj odpravljeno. Ojačali so enociklične impulze na več kot 50 miljoulov, kar je več kot 50-krat več od prejšnjega najboljšega rezultata. Ker so nastali laserski impulzi tako kratki, se ta energija pretvori v neverjetno visoko moč nekaj teravatov.
Takahashi je dejal: "Pokazali smo, kako premagati ozko grlo z vzpostavitvijo učinkovite metode za ojačanje enocikličnih laserskih impulzov."
Njihova metoda, imenovana napredno optično parametrično ojačanje z dvojnim čirpanjem (DC-OPA), je zelo preprosta in vključuje le dva kristala, ki ojačata komplementarna območja spektra.
Takahashi je dejal: "Napredni DC-OPA za ojačanje enocikličnih laserskih impulzov je tako preprost, da temelji samo na kombinaciji dveh nelinearnih kristalov - zdi se, kot da bi se lahko porodila kdorkoli. Preseneča me, da tako preprost koncept zagotavlja nova tehnika ojačanja in preboj v razvoju visokoenergijskih ultrahitrih laserjev."
Pomembno je, da napredni DC-OPA deluje v zelo širokem razponu valovnih dolžin. Ekipi je uspelo ojačati impulze z razliko valovne dolžine, ki je več kot dvakrat večja od valovne dolžine. Takahashi je dejal: "Ta nova metoda ima revolucionarno funkcijo, da pasovna širina ojačanja omogoča ultra širok frekvenčni izhod, ne da bi to vplivalo na karakteristike skaliranja izhodne energije."
Nova tehnika ojačanja
Njihova tehnika je različica druge tehnike ojačevanja optičnih impulzov, imenovane "ojačevanje s čirpiranim impulzom", za katero so trije raziskovalci iz ZDA, Francije in Kanade leta 2018 prejeli Nobelovo nagrado za fiziko. Laserji so ena od tehnologij, ki spodbujajo razvoj laserjev.
Takahashi pričakuje, da bo njihova tehnologija še naprej pospešila razvoj atosekundnih laserjev: "Uspešno smo razvili novo metodo laserskega ojačanja, ki lahko poveča intenzivnost enocikličnih laserskih impulzov na teravatno konično moč," je dejal, "in ni dvoma da je to velik korak naprej v razvoju visokozmogljivih atosekundnih laserjev."
Dolgoročno gledano je njegov cilj preseči atosekundni laser in ustvariti še krajše impulze.
