Två fysiker på RIKEN har realiserat extremt korta laserpulser med en toppeffekt på 6 terawatt (6 biljoner watt) - ungefär lika med kraften som genereras av 6,000 kärnkraftverk. Prestationen, som kommer att bidra till vidareutvecklingen av attosecondlasrar, har gett de tre forskarna 2023 års Nobelpris i fysik. Studien publicerades i tidskriften Nature Photonics.
Precis som en kamerablixt kan "frysa" objekt som rör sig snabbt för att få dem att se ut som om de står stilla på ett fotografi, kan mycket korta laserpulser hjälpa till att belysa ultrasnabba processer, vilket ger forskare ett kraftfullt sätt att avbilda och upptäcka dem.
Till exempel är laserpulser i storleksordningen attosekunder (1 attosecond=10-18 sekunder) så korta att de kan avslöja elektronernas rörelse i atomer och molekyler, vilket ger ett nytt sätt att upptäcka utvecklingen av kemiska och biokemiska reaktioner. Till och med ljus verkar kunna krypa på så korta tidsskalor, det tar cirka 3 arsec att passera genom en nanometer.
"Genom att fånga elektronernas rörelser ger attosekundlasrar ett betydande bidrag till den grundläggande vetenskapen", säger Eiji Takahashi från RIKENs Center for Advanced Photonics (RAP), "och de förväntas ha tillämpningar inom ett brett spektrum av områden, inklusive observation av biologiska celler, utveckling av nya material och diagnos av medicinska tillstånd."
Mer effektfull
Men även om det är möjligt att skapa ultrakorta laserpulser, saknar de effekt och har låg energi. Att skapa ultrakorta, högenergilaserpulser skulle avsevärt utöka deras möjliga användningsområden, säger Eiji Takahashi: "Den nuvarande utenergin från attosecond-lasrar är extremt låg. Därför är det avgörande att öka deras utenergi om de ska användas som ljuskällor i en brett utbud av fält."
Precis som ljudförstärkare används för att förbättra ljudsignaler, använder laserfysiker optiska förstärkare för att öka energin hos laserpulser. Dessa förstärkare använder vanligtvis ickelinjära kristaller som reagerar specifikt på ljus. Men om dessa kristaller används för att förstärka encykellaserpulser kan de skadas irreparabelt. Encykellaserpulser är så korta att pulsen slutar innan ljuset har svängt genom en hel våglängdscykel.
Den största flaskhalsen i utvecklingen av ultrasnabba infraröda laserkällor med hög energi är avsaknaden av en effektiv metod för att direkt förstärka encykellaserpulser", säger Eiji Takahashi. Denna flaskhals resulterar i en 1-millijoule barriär för enstaka - cykla laserpulsenergi."
Sätt nytt rekord
Denna flaskhals har dock nu brutits. De har förstärkt encykelpulser till mer än 50 millijoule, mer än 50 gånger det tidigare bästa resultatet. Eftersom de resulterande laserpulserna är så korta, översätts denna energi till otroligt hög effekt på några terawatt.
Takahashi sa, "Vi har visat hur man kan övervinna flaskhalsen genom att etablera en effektiv metod för att förstärka encykellaserpulser."
Deras metod, som kallas avancerad dubbelt chirped optisk parametrisk förstärkning (DC-OPA), är mycket enkel och involverar endast två kristaller som förstärker komplementära områden i spektrumet.
Takahashi sa: "Avancerad DC-OPA för att förstärka encykellaserpulser är så enkel att den bara är baserad på kombinationen av två olinjära kristaller - det känns som en idé som alla kan komma på. Det förvånar mig att ett så enkelt koncept ger en ny förstärkningsteknik och ett genombrott i utvecklingen av ultrasnabba lasrar med hög energi."
Viktigt är att den avancerade DC-OPA fungerar över ett mycket brett spektrum av våglängder. Teamet kunde förstärka pulser med en våglängdsskillnad på mer än dubbelt så lång våglängd.Takahashi sa: "Denna nya metod har den revolutionerande egenskapen att förstärkningsbandbredden tillåter ultrabred frekvensutmatning utan att påverka uteffektens skalningsegenskaper."
Ny förstärkningsteknik
Deras teknik är en variant av en annan optisk pulsförstärkningsteknik som kallas "chirped-pulse amplification", för vilken tre forskare från USA, Frankrike och Kanada tilldelades Nobelpriset i fysik 2018. laser är en av de teknologier som driver utvecklingen av lasrar.
Takahashi förväntar sig att deras teknologi ytterligare kommer att främja utvecklingen av attosekundslasrar: "Vi har framgångsrikt utvecklat en ny laserförstärkningsmetod som kan öka intensiteten av encykellaserpulser till terawatts toppeffekt", sa han, "och det råder ingen tvekan att detta är ett stort steg framåt i utvecklingen av högeffekts attosekundslasrar."
På sikt är hans mål att gå bortom attosecond-lasern och skapa ännu kortare pulser.
