Nová technológia kombinuje vláknové lasery rôznych vlnových dĺžok na výrobu ultrakrátkych laserových impulzov

Nedávno skupina výskumníkov z divízie Accelerator Technology and Applied Physics (ATAP) v Berkeley Lab oznámila vývoj novej techniky, ktorá dokáže kombinovať vláknové lasery rôznych vlnových dĺžok a vytvárať ultrakrátke laserové impulzy.
Táto práca by mohla posunúť vývoj laserových plazmových plynových pedálov (LPA), ktoré majú potenciál posunúť hranice fyziky vysokých energií a umožniť objavy v materiálovej vede, výskume fúzie a mnohých ďalších oblastiach.
Laserové plazmové plynové pedály (LPA) využívajú intenzívne pulzy ultrarýchleho laserového svetla na urýchlenie nabitých častíc cez plazmu rýchlosťou až 1,000-krát rýchlejšou ako súčasná technológia, čo umožňuje vytvárať stroje, ktoré sú kompaktnejšie a výkonnejšie ako konvenčné plynové pedály a menej nákladné na výrobu a prevádzku.
V súčasnosti väčšina laserových plazmových plynových pedálov (LPA) používa laserové impulzy s opakovacími frekvenciami len niekoľko hertzov (Hz). Realizácia plného potenciálu LPA si však vyžaduje vysokovýkonné laserové systémy schopné generovať ultrakrátke laserové impulzy s vysokou energiou pri opakovacích frekvenciách kHz alebo vyšších.
Tieto obmedzenia kladú veľmi náročné požiadavky na laserové systémy, ktoré generujú takéto impulzy. V dôsledku toho sa výskumníčka obrátila na vláknové lasery, ktoré sú podľa nej „zďaleka najefektívnejšou vysokovýkonnou laserovou technológiou a majú tiež rozsiahly priemyselný rozvoj, ktorý možno využiť pri našej práci“.
Zatiaľ čo energiu a výkon impulzov generovaných vláknovými lasermi je možné zosilniť kombináciou viacerých impulzov v priestore a čase, tieto impulzy sú v súčasnosti obmedzené na približne 100 femtosekúnd (fs), čo nestačí na pohon laserových plazmových plynových pedálov (LPA).
Vedci z BELLA Center, ktorý je súčasťou ATAP, vysvetľujú: „Zatiaľ čo vláknové laserové systémy poskytujú najvyššiu účinnosť elektro-optického výkonu – spektrum ultrakrátkych laserových impulzov zosilnených v týchto systémoch sa zužuje.“
"Keď sú laserové impulzy zosilnené týmto spôsobom, je zúženie zisku zásadným efektom; čím užšie je spektrum impulzu, tým dlhšie trvá. V dôsledku toho je pre vysokovýkonné vláknové lasery veľmi náročné generovať impulzy kratšie ako 100 sekúnd."
Avšak spektrálnym kombinovaním viacerých laserových impulzov pracujúcich v priľahlých rozsahoch vlnových dĺžok tím (vrátane Qiang Du z inžinierstva a Dana Wanga a Russella Wilcoxa z ATAP) dosiahol ultra široké kombinované spektrum schopné podporovať veľmi krátke impulzy v desiatkach sekúnd.
Na zvýšenie šírky pásma a generovanie impulzov dlhých desiatky sekúnd výskumníci najskôr použili oscilátor s uzamknutým režimom a zosilňovač vlákna dopovaný ytterbiom (YDFA) na generovanie 120-sekundových impulzov s frekvenciou opakovania 100 MHz. Boli odoslané do vlákna fotonického kryštálu a spektrum týchto laserových impulzov sa rozšírilo z 27 nanometrov (nm) na 90 nm.
Potom použili dichroické zrkadlo, ktoré umožňuje laserové impulzy oddeliť alebo kombinovať bez výraznej straty intenzity, čím sa impulzy spektrálne rozdelia. Potom boli odoslané do dvoch tvarovačov impulzov na tvarovanie intenzity a fázy príslušných impulzných spektier. Keď sú odrazené impulzy odoslané do prvého tvarovača, emitované impulzy sú zosilnené pomocou YDFA, impulzy sú tvorené druhým tvarovačom a ďalej rozdelené ďalším dichroickým zrkadlom. Tri cvrlikavé impulzy z vláknového lasera sú potom zosilnené a rekombinované pomocou prídavných dichroických zrkadiel.
Toto ultraširokopásmové spektrum v kombinácii so syntetickým tvarovaním impulzov vytvára impulzy s trvaním iba 42 sekúnd, čo je oveľa kratšie ako impulzy produkované tromi vláknovými kanálmi. Podľa tímu ide o najkratšie trvanie pulzného lasera získané zo spektrálne kombinovaného laserového systému s ytterbiovým vláknom.
Zatiaľ čo táto práca doteraz demonštrovala ultrarýchle impulzy pri nízkych energiách, ukazuje kľúčové princípy ultraširokopásmovej spektrálnej kombinácie a tvarovania impulzov koherentnej spektrálnej syntézy a poskytuje prelom v používaní vláknových laserov na pohon laserových plazmových plynových pedálov (LPA). V budúcnosti tím plánuje pridať ďalšie zosilňovacie stupne a implementovať viacrozmerné techniky schopné kombinovať vláknové lasery priestorovo, časovo a spektrálne na generovanie desiatok sekúnd vysokoenergetických laserových impulzov.