Den första demonstrationen av lasern 1960 följdes snabbt av födelsen av ett nytt forskningsfält:olinjär optik. De unika koherensegenskaperna hos stimulerad emission, den grundläggande fysikaliska processen för laserstrålning, har möjliggjort intensiteter som överstiger de för inkoherenta källor med många storleksordningar. De höga intensiteterna driver elektroner så starkt att de oscillerar med frekvenser som skiljer sig från det drivande ljusfältet. Den efterföljande dipolemissionen kan vara extremt färgstark. Optisk fiber eller laserfilament har använts som vågledare i decennier för att maximera denna effekt och generera extremt bredbandiga ljuspulser.

Men om laserpulserna bär för mycket energi, lider fiber av skada och ljustrådar går sönder, så att laserstrålningens unika rumsliga egenskaper går förlorade. Forskare från tyska Electron-Synchrotron DESY i Hamburg, Tyskland, och Helmholtz-Institute Jena, Tyskland har nu rapporterat om en ny metod för att styra ljus på ett energiskalbart sätt. Guidning åstadkoms genom användning av två omfokuserande speglar och det försiktiga avståndet mellan tunna olinjära glasfönster.

Forskarna har rapporterat i en nyligen publicerad publikation i Ultrafast Science att ljuspulser vinner mer än 30 gånger sin initiala bandbredd i en sådan uppställning och kan följaktligen komprimeras med samma faktor. Detta förkortar deras varaktighet och ökar deras toppeffekt avsevärt. Anmärkningsvärt nog utfördes dessa experiment med laserpulser som överskrider toppeffektgränsen i glasfibrer med en faktor 40. Trots utbredning genom totalt cirka 40 cm glas förblev strålkvaliteten och pulsenergin hög. "Vi har elegant kombinerat två nya tillvägagångssätt för att utöka bandbredden för ultrakorta pulser. Ändå är den optiska installationen väldigt enkel. All optik som vi använde i vårt spektralbreddningsschema var lagerartiklar. Detta och de utmärkta brusegenskaperna gör vårt tillvägagångssätt allmänt tillämpbart, säger Dr Marcus Seidel, huvudförfattare till publikationen.

Dr. Christoph Heyl, juniorgruppledare vid DESY och Helmholtz Institute Jena, tillägger att "det finns en tydlig trend inom ultrasnabb laserteknologi mot kraftkällor med hög medelvärde som ofta bara kan leverera pulser med varaktigheter på pikosekundnivå. Vår metod presenterar en energi -, storleks- och kostnadseffektiv metod för att förvandla dessa lasrar till pulserande källor med bara tiotals femtosekunders varaktighet med gigawatts toppeffekt."

Femtosekundregimen är tidsskalan för molekylär rörelse som kan spåras och manipuleras med ultrakorta pulser. Dessutom är femtosekundpulserna för snabba för att tillåta värmealstring efter jonisering. Detta utnyttjas i stor utsträckning vid bearbetning av lasermaterial. Pulskompressionsmetoden har redan använts vid DESYs fria elektronlaseranläggning FLASH i flera månader. Det har gjort det möjligt för forskare att ta exakta ögonblicksbilder av molekylär dynamik i nya kvantmaterial.

"Våra anläggningsanvändare har varit mycket nöjda med det", säger Dr Seidel och blickar framåt:"Vi skulle naturligtvis bli glada om den här tekniken möjliggör banbrytande vetenskapliga experiment vid DESY och många andra institut runt om i världen."

Dr Heyls team har nyligen publicerat simuleringar som visar utvidgningen av det demonstrerade tillvägagångssättet för terawatts toppeffekter och pulsenergier på joulenivå. Att implementera ett sådant energiuppskalat experiment kommer att öppna dörren till helt nya tillämpningar.

"Spektral breddning och pulskompression har identifierats som nyckelmetoderna för att utveckla starkfältsfysik av 2018 års Nobelpristagare Gérard Mourou", säger Dr Heyl. "Med den nya tekniken kan hans förutsägelse ta form. Vi håller redan på att sätta upp en första kompakt multi-pass cellbaserad partikelaccelerator i våra laboratorier. Vi förväntar oss att konceptet också påverkar framtida strålterapi och möjligen även laser- baserad fusion." + Utforska vidare

Högflöde 100 kHz attosekundspulskälla driven av en ringformig laserstråle med hög medeleffekt