Ny teknik kombinerar fiberlasrar med olika våglängder för att producera ultrakorta laserpulser

Nyligen tillkännagav en grupp forskare från Berkeley Labs division Accelerator Technology and Applied Physics (ATAP) utvecklingen av en ny teknik som kan kombinera fiberlasrar med olika våglängder för att producera ultrakorta laserpulser.
Detta arbete skulle kunna främja utvecklingen av gaspedaler med laserplasma (LPA), som har potential att tänja på gränserna för högenergifysik och möjliggöra upptäckter inom materialvetenskap, fusionsforskning och många andra områden.
Laserplasmagaspedaler (LPA) använder intensiva pulser av ultrasnabbt laserljus för att accelerera laddade partiklar genom ett plasma med hastigheter upp till 1,000 gånger snabbare än nuvarande teknik, vilket möjliggör skapandet av maskiner som är mer kompakta och kraftfulla än konventionella gaspedaler och billigare att bygga och använda.
För närvarande använder de flesta laserplasmagaspedaler (LPA) laserpulser med repetitionsfrekvenser på bara några få hertz (Hz). För att förverkliga LPA:s fulla potential krävs dock högeffektlasersystem som kan generera ultrakorta, högenergilaserpulser vid repetitionsfrekvenser på kHz eller högre.
Dessa begränsningar ställer mycket höga krav på de lasersystem som genererar sådana pulser. Som ett resultat av detta vände sig forskaren till fiberlasrar, som hon säger är "den överlägset mest effektiva högeffektlasertekniken och dessutom har en omfattande industriell utveckling som kan utnyttjas i vårt arbete."
Medan energin och kraften hos pulser som genereras av fiberlasrar kan förstärkas genom att kombinera flera pulser i rum och tid, är dessa pulser för närvarande begränsade till cirka 100 femtosekunder (fs), vilket inte är tillräckligt för att driva laserplasmagaspedaler (LPA).
Forskare vid BELLA Center, en del av ATAP, förklarar: "Medan fiberlasersystem ger den högsta elektrooptiska effekteffektiviteten - minskar spektrumet av ultrakorta laserpulser som förstärks i dessa system."
"När laserpulser förstärks på detta sätt är förstärkningsavsmalning en grundläggande effekt; ju smalare spektrum pulsen har, desto längre varaktighet. Som ett resultat är det mycket utmanande för högeffektfiberlasrar att generera pulser kortare än 100 sekunder."
Men genom att spektralt kombinera flera laserpulser som arbetar i angränsande våglängdsområden, uppnådde teamet (inklusive Qiang Du från Engineering och Dan Wang och Russell Wilcox från ATAP) ett ultrabrett kombinerat spektrum som kan stödja mycket korta pulser på tiotals sekunder.
För att öka bandbredden och generera tiotals sekunder långa pulser använde forskarna först en modlåst oscillator och en ytterbiumdopad fiberförstärkare (YDFA) för att generera 120-sekundspulser med en repetitionshastighet på 100 MHz. De skickades in i en fotonisk kristallfiber och spektrumet för dessa laserpulser expanderade från 27 nanometer (nm) till 90 nm.
De använde sedan en dikroisk spegel, som gör att laserpulserna kan separeras eller kombineras utan betydande förlust av intensitet, och därmed dela upp pulserna spektralt. De skickades sedan till två pulsformare för att forma intensiteten och fasen för respektive pulsspektra. När de reflekterade pulserna skickas till den första formaren, förstärks de utsända pulserna av YDFA, pulserna bildas av den andra formaren och delas ytterligare av en annan dikroisk spegel. De tre kvittrade pulserna från fiberlasern förstärks sedan och rekombineras med hjälp av ytterligare dikroiska speglar.
Detta ultrabredbandsspektrum kombinerat med syntetisk pulsformning producerar pulser med en varaktighet på endast 42 sekunder, vilket är mycket kortare än pulserna som produceras av de tre fiberkanalerna. Enligt teamet är detta den kortaste pulslasertiden som erhållits från ett spektralt kombinerat ytterbiumfiberlasersystem.
Även om detta arbete hittills har visat ultrasnabba pulser vid låga energier, visar det nyckelprinciperna för ultrabredbandsspektral kombination och koherent spektralsyntespulsformning, och ger ett genombrott i användningen av fiberlasrar för att driva laserplasmagaspedaler (LPA). I framtiden planerar teamet att lägga till fler förstärkningssteg och implementera flerdimensionella tekniker som kan kombinera fiberlasrar spatialt, temporärt och spektralt för att generera tiotals sekunder av högenergilaserpulser.