Dva fyzici z RIKEN realizovali extrémně krátké laserové pulsy se špičkovým výkonem 6 terawattů (6 bilionů wattů) – což je zhruba ekvivalent energie generované 6,000 jadernými elektrárnami. Tento úspěch, který přispěje k dalšímu rozvoji attosekundových laserů, vynesl těmto třem výzkumníkům Nobelovu cenu za fyziku pro rok 2023. Studie byla publikována v časopise Nature Photonics.
Stejně jako blesk fotoaparátu může „zmrazit“ rychle se pohybující objekty, aby vypadaly, jako by na fotografii stály, velmi krátké laserové pulsy mohou pomoci osvětlit ultrarychlé procesy, což vědcům poskytne účinný způsob, jak je zobrazit a detekovat.
Například laserové pulsy v řádu attosekund (1 attosekunda=10-18 sekund) jsou tak krátké, že mohou odhalit pohyb elektronů v atomech a molekulách, což představuje nový způsob, jak objevit vývoj chemických a biochemických reakcí. Zdá se, že i světlo se dokáže plazit v tak krátkých časových měřítcích, přičemž průchod nanometrem trvá asi 3 arsec.
"Tím, že zachycují pohyb elektronů, attosekundové lasery významně přispívají k základní vědě," řekl Eiji Takahashi z RIKEN's Center for Advanced Photonics (RAP), "a očekává se, že budou mít uplatnění v široké škále oborů, včetně pozorování." biologických buněk, vývoj nových materiálů a diagnostika zdravotních stavů."
Působivější
I když je však možné vytvořit ultrakrátké laserové pulsy, nemají dopad a mají nízkou energii. Vytváření ultrakrátkých laserových pulsů s vysokou energií by značně rozšířilo jejich možné využití, říká Eiji Takahashi: "Současná výstupní energie attosekundových laserů je extrémně nízká. Proto je zvýšení jejich výstupní energie klíčové, pokud mají být použity jako světelné zdroje v širokou škálu oborů."
Stejně jako se audio zesilovače používají ke zlepšení zvukových signálů, laseroví fyzici používají optické zesilovače ke zvýšení energie laserových pulzů. Tyto zesilovače obvykle používají nelineární krystaly, které specificky reagují na světlo. Pokud se však tyto krystaly použijí k zesílení jednocyklových laserových pulzů, mohou se nenávratně poškodit. Jednocyklové laserové pulsy jsou tak krátké, že puls skončí dříve, než světlo osciluje celým cyklem vlnové délky.
Největší překážkou ve vývoji vysokoenergetických ultrarychlých infračervených laserových zdrojů je nedostatek účinné metody přímého zesílení jednocyklových laserových pulsů,“ řekl Eiji Takahashi. Toto úzké hrdlo má za následek 1-milijoulovou bariéru pro jednotlivé -cyklovat energii laserového pulsu."
Nastavení nového rekordu
Toto úzké hrdlo je však nyní prolomeno. Mají zesílené jednocyklové pulsy na více než 50 milijoulů, což je více než 50krát předchozí nejlepší výsledek. Protože výsledné laserové pulsy jsou tak krátké, tato energie se promítá do neuvěřitelně vysokého výkonu několika terawattů.
Takahashi řekl: "Ukázali jsme, jak překonat překážku tím, že jsme vytvořili účinnou metodu pro zesílení jednocyklových laserových pulzů."
Jejich metoda, nazývaná pokročilá dvojitá chirpedová optická parametrická amplifikace (DC-OPA), je velmi jednoduchá a zahrnuje pouze dva krystaly, které zesilují komplementární oblasti spektra.
Takahashi řekl: "Pokročilé DC-OPA pro zesilování laserových pulzů s jedním cyklem je tak jednoduché, že je založeno pouze na kombinaci dvou nelineárních krystalů - připadá mi to jako nápad, se kterým by kdokoli mohl přijít. Udivuje mě, že tak jednoduchý koncept poskytuje nová technika zesílení a průlom ve vývoji vysokoenergetických ultrarychlých laserů."
Důležité je, že pokročilý DC-OPA pracuje ve velmi širokém rozsahu vlnových délek. Tým byl schopen zesílit pulsy s rozdílem vlnových délek větším než dvojnásobkem vlnové délky. Takahashi řekl: "Tato nová metoda má revoluční vlastnost, že šířka pásma zesílení umožňuje ultra široký frekvenční výstup bez ovlivnění charakteristiky škálování výstupní energie."
Nová technika zesílení
Jejich technika je variantou jiné techniky optického zesílení pulsů zvané „zesilování chirped-pulse“, za kterou tři výzkumníci z USA, Francie a Kanady získali v roce 2018 Nobelovu cenu za fyziku. lasery jsou jednou z technologií, které řídí vývoj laserů.
Takahashi očekává, že jejich technologie dále pokročí ve vývoji attosekundových laserů: „Úspěšně jsme vyvinuli novou metodu laserového zesílení, která může zvýšit intenzitu jednocyklových laserových pulzů na terawattový špičkový výkon,“ řekl, „a není pochyb. že se jedná o velký skok vpřed ve vývoji vysoce výkonných attosekundových laserů."
Z dlouhodobého hlediska je jeho cílem překonat attosekundový laser a vytvořit ještě kratší pulzy.
