Att generera intensiva ultrakorta pulser med hög rumslig kvalitet har öppnat möjligheter för ultrasnabb och starkfältsvetenskap. Det är så viktigt att Nobelpriset i fysik 2018 gavs till Dr. Strickland och Dr. Mourou för att de uppfann en teknik som kallas chirped pulse amplification, som driver många ultrasnabba lasrar över hela världen. Med de stora framstegen under det senaste decenniet, Yb-baserade ultrasnabba lasrar har blivit mycket populära, eftersom de uppvisar exceptionell termisk effektivitet, har låg kostnad och är mycket flexibla när det gäller att justera pulsenergier och repetitionshastigheter.

Dock, pulslängderna från dessa lasrar är vanligtvis inte kortare än 100 fs eller till och med 1 ps, som kräver extern pulskomprimering för applikationer. De befintliga superkontinuumgenereringen (SCG) och pulskompressionsteknikerna har vanligtvis låg effektivitet. Många av dem kräver vakuumsystem, vakuum-gas gränssnitt, och är, därav, dyrt och komplicerat att underhålla. Som ett resultat, tillämpningarna av dessa tekniker är fortfarande begränsade i ett fåtal specialiserade laboratorier, och kan inte användas allmänt inom fysik, femtokemi och femtobiologilabb, som representerar de viktigaste tillämpningarna för ultrasnabba lasrar.

I en ny artikel publicerad i Ljusvetenskap och tillämpningar , ett team av kinesiska och österrikiska forskare, ledd av professor Zhensheng Tao från State Key Laboratory of Surface Physics och Institutionen för fysik, Fudan University, Shanghai, Kina föreslog och visade att bildandet av optiska solitoner under utbredningen av starka ultrasnabba laserpulser i periodiska lager Kerr-media (PLKM) kan fungera som en enkel, pålitlig och kostnadseffektiv lösning för SCG och pulskompression. De fann att bildningen av solitonerna är ett resultat av balansen mellan den olinjära Kerr-självfokuseringen och den linjära diffraktionen av laserstrålen, som kan stödja hållbar och icke-linjär interaktion mellan ljus och materia på långa avstånd, och därmed förbättra SCG-effektiviteten.

Mer intressant, genom att begränsa strålens utbredning i dessa ensamma lägen, hög rumslig kvalitet och spatiospektral homogenitet kan uppnås, nå> 85 % kompressionseffektivitet. Som en demonstration av en sådan metod, forskarna använde de komprimerade pulserna för att driva en mycket olinjär optisk process, kallas hög övertonsgenerering, producerar ljust och koherent extremt ultraviolett och mjukt röntgenljus från ett gasmål. Den höga harmoniska processen är extremt känslig för den spatio-temporala kvaliteten hos de komprimerade pulserna, och det visade tydligt den stora potentialen med denna metod. Det är värt att nämna ytterligare att den totala kostnaden för att konstruera PLKM SCG-enheten är endast ~$200. Den rapporterade metoden och tekniken kommer att bana väg för framtida högeffektivitet, pålitlig och kostnadseffektiv SCG och pulskompression av ultrasnabba lasrar, som kan användas i stor utsträckning i laboratorier för ultrasnabb fysik, kemi och biologi.

Den högeffektiva, Den billiga SCG- och pulskompressionsmetoden är centrerad kring studierna av bildningen och stabiliteten av de solitära tillstånden i en ickelinjär PLKM-resonator. Med de ensamma lägena, utbredningen av intensiv laserstråle kan manipuleras för att generera det önskade breda spektrumet och hög rumslig kvalitet. Denna metod kan stödja applikationer på ultrasnabba lasrar med olika pulsenergier och repetitionshastigheter. Forskarna sammanfattar fördelarna med deras metod:"Jämfört med befintlig superkontinuumgenerering och pulskompressionsmetod, metoden vi föreslog och demonstrerade har fyra fördelar:(1) Den är mycket enkel och kostnadseffektiv att konstruera och underhålla, eftersom det inte kräver vakuumsystem eller strålpekande stabiliseringsinställningar; (2) Det är mycket flexibelt, som kan appliceras på ultrasnabba lasrar med olika energier och kraft; (3) Den har mycket hög effektivitet, som kan vara så hög som 85 %; och (4) den är mycket stabil. Vi tror att denna metod kan introduceras allmänt i många fysik, kemi- och biologilabb, för forskare som använder ultrasnabb laser men inte har specialiteter i att konstruera ett bredbandslasersystem."