Dvojica fizičara u RIKEN-u realizirali su izuzetno kratke laserske impulse sa vršnom snagom od 6 teravata (6 triliona vati) - što je otprilike ekvivalentno snazi koju generiraju 6,{4}} nuklearnih elektrana. Postignuće, koje će doprinijeti daljem razvoju atosekundnih lasera, donijelo je trojici istraživača Nobelovu nagradu za fiziku 2023. Studija je objavljena u časopisu Nature Photonics.
Baš kao što blic kamere može "zamrznuti" objekte koji se brzo kreću kako bi izgledali kao da stoje na fotografiji, vrlo kratki laserski impulsi mogu pomoći u osvjetljavanju ultrabrzih procesa, dajući naučnicima moćan način da ih snime i otkriju.
Na primjer, laserski impulsi reda attosekundi (1 attosekunda=10-18 sekundi) su toliko kratki da mogu otkriti kretanje elektrona u atomima i molekulima, pružajući novi način otkrivanja evolucije hemijskih i biohemijskih reakcija. Čini se da čak i svjetlost može puzati na tako kratkim vremenskim skalama, pri čemu je potrebno oko 3 arseka da prođe kroz nanometar.
"Snimanjem kretanja elektrona, atosekundni laseri daju značajan doprinos osnovnoj nauci", rekao je Eiji Takahashi iz RIKEN-ovog Centra za naprednu fotoniku (RAP), "i očekuje se da će imati primjenu u širokom spektru polja, uključujući i posmatranje bioloških ćelija, razvoj novih materijala i dijagnostika zdravstvenih stanja."
Upečatljivije
Međutim, iako je moguće stvoriti ultrakratke laserske impulse, oni nemaju uticaj i imaju nisku energiju. Stvaranje ultrakratkih laserskih impulsa visoke energije bi uvelike proširilo njihovu moguću upotrebu, kaže Eiji Takahashi: "Trenutna izlazna energija attosekundnih lasera je izuzetno niska. Stoga je povećanje njihove izlazne energije ključno ako se oni koriste kao izvori svjetlosti u širok spektar polja."
Baš kao što se audio pojačala koriste za poboljšanje zvučnih signala, laserski fizičari koriste optička pojačala za povećanje energije laserskih impulsa. Ova pojačala obično koriste nelinearne kristale koji specifično reaguju na svjetlost. Međutim, ako se ovi kristali koriste za pojačavanje jednocikličnih laserskih impulsa, mogu se nepopravljivo oštetiti. Jednociklični laserski impulsi su toliko kratki da se impuls završava prije nego što svjetlost oscilira kroz puni ciklus talasne dužine.
Najveće usko grlo u razvoju visokoenergetskih, ultra brzih infracrvenih laserskih izvora je nedostatak efikasne metode za direktno pojačavanje jednocikličnih laserskih impulsa", rekao je Eiji Takahashi. Ovo usko grlo rezultira barijerom od 1-milijoula za pojedinačne -ciklus energije laserskog impulsa."
Postavljanje novog rekorda
Međutim, ovo usko grlo je sada razbijeno. Pojačali su jednociklične impulse na više od 50 milidžula, više od 50 puta više od prethodnog najboljeg rezultata. Budući da su rezultujući laserski impulsi tako kratki, ova energija se pretvara u nevjerovatno veliku snagu od nekoliko teravata.
Takahashi je rekao: "Pokazali smo kako prevazići usko grlo uspostavljanjem efikasne metode za pojačavanje jednocikličnih laserskih impulsa."
Njihova metoda, nazvana napredno optičko parametarsko pojačanje s dvostrukim čirom (DC-OPA), vrlo je jednostavna i uključuje samo dva kristala koji pojačavaju komplementarne regije spektra.
Takahashi je rekao: "Napredni DC-OPA za pojačavanje jednociklusnih laserskih impulsa je toliko jednostavan da se zasniva samo na kombinaciji dva nelinearna kristala - čini se kao ideja do koje bi se svatko mogao sjetiti. Iznenađuje me da tako jednostavan koncept pruža nova tehnika pojačanja i napredak u razvoju ultrabrzih lasera visoke energije."
Važno je da napredni DC-OPA radi na veoma širokom rasponu talasnih dužina. Tim je bio u mogućnosti da pojača impulse sa razlikom talasne dužine većom od dvostruke talasne dužine. Takahashi je rekao: "Ova nova metoda ima revolucionarnu osobinu da širina pojasa pojačanja omogućava ultraširoku frekvenciju bez uticaja na karakteristike skaliranja izlazne energije."
Nova tehnika amplifikacije
Njihova tehnika je varijanta druge tehnike pojačanja optičkog impulsa nazvane "pojačavanje impulsa s ciknutim impulsom", za koju su tri istraživača iz SAD-a, Francuske i Kanade nagrađena Nobelovom nagradom za fiziku 2018. godine. Laseri su jedna od tehnologija koja pokreće razvoj lasera.
Takahashi očekuje da će njihova tehnologija dodatno unaprijediti razvoj attosekundnih lasera: 'Uspješno smo razvili novu metodu laserskog pojačanja koja može povećati intenzitet jednocikličnih laserskih impulsa do teravata vršne snage', rekao je, 'i nema sumnje da je ovo veliki iskorak u razvoju atosekundnih lasera velike snage."
Na duge staze, njegov cilj je ići dalje od atosekundnog lasera i stvarati još kraće impulse.
