Dvaja fyzici v RIKEN realizovali extrémne krátke laserové impulzy so špičkovým výkonom 6 terawattov (6 biliónov wattov), čo je zhruba ekvivalent výkonu generovaného 6,000 jadrovými elektrárňami. Úspech, ktorý prispeje k ďalšiemu vývoju attosekundových laserov, priniesol trom výskumníkom Nobelovu cenu za fyziku za rok 2023. Štúdia bola publikovaná v časopise Nature Photonics.
Rovnako ako blesk fotoaparátu dokáže „zmraziť“ rýchlo sa pohybujúce objekty, aby vyzerali, akoby stáli na fotografii, veľmi krátke laserové impulzy môžu pomôcť osvetliť ultrarýchle procesy, čo vedcom poskytne účinný spôsob, ako ich zobraziť a odhaliť.
Napríklad laserové impulzy v ráde attosekúnd (1 attosekunda=10-18 sekúnd) sú také krátke, že dokážu odhaliť pohyb elektrónov v atómoch a molekulách, čím poskytujú nový spôsob objavovania vývoja chemických a biochemických reakcií. Zdá sa, že aj svetlo sa dokáže plaziť v takých krátkych časových mierkach, pričom prechod nanometrom trvá asi 3 arsec.
„Zachytením pohybu elektrónov predstavujú attosekundové lasery významný príspevok k základnej vede,“ povedal Eiji Takahashi z RIKEN's Center for Advanced Photonics (RAP), „a očakáva sa, že budú mať uplatnenie v širokej škále oblastí vrátane pozorovania. biologických buniek, vývoj nových materiálov a diagnostika zdravotných stavov.“
Väčší vplyv
Aj keď je možné vytvoriť ultrakrátke laserové impulzy, nemajú dopad a majú nízku energiu. Vytvorenie ultrakrátkych, vysokoenergetických laserových impulzov by značne rozšírilo ich možné využitie, hovorí Eiji Takahashi: "Súčasná výstupná energia attosekundových laserov je extrémne nízka. Preto je zvýšenie ich výstupnej energie kľúčové, ak majú byť použité ako svetelné zdroje v široká škála oblastí“.
Rovnako ako audio zosilňovače sa používajú na zlepšenie zvukových signálov, laseroví fyzici používajú optické zosilňovače na zvýšenie energie laserových impulzov. Tieto zosilňovače zvyčajne používajú nelineárne kryštály, ktoré špecificky reagujú na svetlo. Ak sa však tieto kryštály použijú na zosilnenie jednocyklových laserových impulzov, môžu sa nenávratne poškodiť. Jednocyklové laserové impulzy sú také krátke, že impulzy sa skončia skôr, ako svetlo osciluje celým cyklom vlnovej dĺžky.
Najväčšou prekážkou vo vývoji vysokoenergetických, ultrarýchlych infračervených laserových zdrojov je nedostatok účinnej metódy na priame zosilnenie jednocyklových laserových impulzov,“ povedal Eiji Takahashi. Výsledkom tohto prekážkového miesta je 1-milijoulová bariéra pre jednotlivé - cyklus laserovej pulznej energie."
Nastavenie nového rekordu
Toto úzke hrdlo je však teraz prelomené. Majú zosilnené jednocyklové impulzy na viac ako 50 milijoulov, čo je viac ako 50-násobok doterajšieho najlepšieho výsledku. Pretože výsledné laserové impulzy sú také krátke, táto energia sa premieta do neuveriteľne vysokého výkonu niekoľkých terawattov.
Takahashi povedal: "Preukázali sme, ako prekonať prekážku vytvorením efektívnej metódy na zosilnenie jednocyklových laserových impulzov."
Ich metóda, nazývaná pokročilá dvojitá chirpedová optická parametrická amplifikácia (DC-OPA), je veľmi jednoduchá a zahŕňa iba dva kryštály, ktoré zosilňujú komplementárne oblasti spektra.
Takahashi povedal: "Pokročilý DC-OPA na zosilnenie jednocyklových laserových impulzov je taký jednoduchý, že je založený len na kombinácii dvoch nelineárnych kryštálov - zdá sa mi to ako nápad, s ktorým by mohol prísť ktokoľvek. Udivuje ma, že takýto jednoduchý koncept poskytuje nová zosilňovacia technika a prelom vo vývoji vysokoenergetických ultrarýchlych laserov.“
Dôležité je, že pokročilý DC-OPA funguje vo veľmi širokom rozsahu vlnových dĺžok. Tímu sa podarilo zosilniť impulzy s rozdielom vlnových dĺžok väčším ako dvojnásobok vlnovej dĺžky. Takahashi povedal: "Táto nová metóda má revolučnú vlastnosť, že šírka pásma zosilnenia umožňuje ultraširoký frekvenčný výstup bez ovplyvnenia charakteristiky škálovania výstupnej energie."
Nová technika zosilnenia
Ich technika je variantom inej techniky optického zosilnenia impulzov nazývanej „zosilnenie chirped-pulse“, za ktorú traja výskumníci z USA, Francúzska a Kanady získali v roku 2018 Nobelovu cenu za fyziku. Lasery sú jednou z technológií, ktoré riadia vývoj laserov.
Takahashi očakáva, že ich technológia bude ďalej napredovať vo vývoji attosekundových laserov: „Úspešne sme vyvinuli novú metódu laserového zosilnenia, ktorá dokáže zvýšiť intenzitu jednocyklových laserových impulzov na terawattový špičkový výkon,“ povedal, „a niet pochýb. že toto je veľký skok vpred vo vývoji vysokovýkonných attosekundových laserov."
Z dlhodobého hľadiska je jeho cieľom prekonať attosekundový laser a vytvárať ešte kratšie impulzy.
