Extremt korta pulser av laserljus med en toppeffekt på 6 terawatt (6 biljoner watt) – ungefär motsvarande kraften som produceras av 6 000 kärnkraftverk – har realiserats av två RIKEN-fysiker. Denna prestation kommer att bidra till att vidareutveckla attosecond-lasrar, för vilka tre forskare tilldelades Nobelpriset i fysik 2023. Arbetet är publicerat i tidskriften Nature Photonics .
På samma sätt som en kamerablixt kan "frysa" föremål som rör sig snabbt och få dem att se ut som om de står stilla på bilder, kan extremt korta laserpulser hjälpa till att lysa upp ultrasnabba processer, vilket ger forskare ett kraftfullt sätt att avbilda och undersöka dem .
Till exempel laserpulser i storleksordningen attosekunder (en attoseund =10 –18 andra) är så korta att de kan avslöja elektronernas rörelse i atomer och molekyler, vilket ger ett nytt sätt att upptäcka hur kemiska och biokemiska reaktioner utvecklas. Till och med ljus tycks krypa på så korta tidsskalor, det tar cirka 3 attosekunder att passera en enda nanometer.
"Genom att göra det möjligt att fånga elektroners rörelse har attosecondlasrar gjort ett stort bidrag till grundläggande vetenskap", säger Eiji Takahashi från RIKEN Center for Advanced Photonics (RAP). "De förväntas användas inom ett brett spektrum av områden, inklusive observation av biologiska celler, utveckling av nya material och diagnostisering av medicinska tillstånd."
Men även om det är möjligt att skapa ultrakorta laserpulser, saknar de mycket kraft och har låga energier. Att skapa laserpulser som både är ultrakorta och har höga energier skulle avsevärt utöka deras möjliga användningsområden. "Den nuvarande utenergin från attosecond-lasrar är extremt låg", säger Takahashi. "Så det är viktigt att öka sin utgående energi om de ska användas som ljuskällor inom ett brett spektrum av områden."
Precis som ljudförstärkare används för att förstärka ljudsignaler, använder laserfysiker optiska förstärkare för att öka energin hos laserpulser. Dessa förstärkare använder vanligtvis icke-linjära kristaller som uppvisar speciella reaktioner på ljus. Men dessa kristaller kan skadas irreparabelt om de används för att förstärka encykellaserpulser, som är så korta att pulsen slutar innan ljuset kan svänga genom en hel våglängdscykel.
"Den största flaskhalsen i utvecklingen av energiska, ultrasnabba infraröda laserkällor har varit avsaknaden av en effektiv metod för att direkt förstärka encykellaserpulser", förklarar Takahashi. "Denna flaskhals har resulterat i en barriär på en millijoule för energin från encykellaserpulser."
Nu har Takahashi och RAP-kollegan Lu Xu inte bara överskridit denna barriär, de har krossat den. De har förstärkt encykelpulser till över 50 millijoule – mer än 50 gånger den tidigare bästa ansträngningen. Eftersom de resulterande laserpulserna är så korta, översätts denna energi till otroligt höga effekter på flera terawatt.
"Vi har visat hur man kan övervinna flaskhalsen genom att etablera en effektiv metod för att förstärka en encykellaserpuls", säger Takahashi.
Deras metod, kallad avancerad dubbel-chirped optisk parametrisk förstärkning (DC-OPA), är förvånansvärt enkel och involverar bara två kristaller, som förstärker komplementära områden i spektrumet.
"Avancerad DC-OPA för att förstärka en encykellaserpuls är väldigt enkel, eftersom den är baserad på bara en kombination av två typer av olinjära kristaller - det känns som en idé som vem som helst kunde ha kommit på", säger Takahashi. "Jag blev förvånad över att ett så enkelt koncept gav en ny förstärkningsteknik och orsakade ett genombrott i utvecklingen av ultrasnabba lasrar med hög energi."
Viktigt är att avancerad DC-OPA fungerar över ett mycket brett spektrum av våglängder. Takahashi och Xu kunde förstärka pulser vars våglängder skiljde sig med mer än en faktor två. "Denna nya metod har den revolutionerande egenskapen att förstärkningsbandbredden kan göras ultrabred utan att kompromissa med uteffektens energiskalningsegenskaper", säger Takahashi.
Deras teknik är en variant på en annan förstärkningsteknik för optiska pulser, kallad "chirped pulse amplification", för vilken tre forskare från USA, Frankrike och Kanada tilldelades Nobelpriset i fysik 2018. Det finns ett intressant samband mellan 2018 års och 2023 års priser i att chirped puls amplification var en av teknikerna som möjliggjorde utvecklingen av attosecond-lasrar.
Takahashi räknar med att deras teknik kommer att ytterligare främja utvecklingen av attosecond-lasrar. "Vi har lyckats utveckla en ny laserförstärkningsmetod som kan öka intensiteten hos encykellaserpulser till terawattklass toppeffekt", säger han. "Det är utan tvekan ett stort steg framåt i utvecklingen av attosekundslasrar med hög effekt."
På längre sikt har han siktet inställt på att gå längre än attosecondlasrar och skapa ännu kortare pulser.
"Genom att kombinera encykellasrar med icke-linjära optiska effekter av högre ordning kan det mycket väl vara möjligt att generera ljuspulser med en tidsbredd på zeptosekunder (en zeptosekund =10 –21 andra), säger han. "Mitt långsiktiga mål är att knacka på dörren till forskning om zeptosekundlaser och öppna upp nästa generation av ultrakorta lasrar efter attosekundslasrar."
Mer information: Lu Xu et al, Dual-chirped optisk parametrisk förstärkning av högenergi-encykellaserpulser, Nature Photonics (2023). DOI:10.1038/s41566-023-01331-9
Journalinformation: Naturfotonik
Tillhandahålls av RIKEN
