Новая технология объединяет волоконные лазеры разной длины волны для получения сверхкоротких лазерных импульсов

Недавно группа исследователей из подразделения Accelerator Technology and Applied Physics (ATAP) лаборатории Berkeley Lab объявила о разработке новой методики, позволяющей комбинировать волоконные лазеры с разными длинами волн для получения ультракоротких лазерных импульсов.
Эта работа может продвинуть вперед разработку лазерно-плазменных педалей газа (LPA), которые могут раздвинуть границы физики высоких энергий и сделать возможными открытия в материаловедении, исследованиях термоядерного синтеза и многих других областях.
Газовые педали с лазерной плазмой (LPA) используют интенсивные импульсы сверхбыстрого лазерного света для ускорения заряженных частиц через плазму со скоростью до 1,000 раз быстрее, чем современные технологии, что позволяет создавать машины, которые являются более компактными и мощными, чем обычные педали газа и менее дорогие в сборке и эксплуатации.
В настоящее время в большинстве лазерных плазменных педалей газа (LPA) используются лазерные импульсы с частотой повторения всего в несколько герц (Гц). Однако для реализации всего потенциала LPA требуются мощные лазерные системы, способные генерировать сверхкороткие высокоэнергетические лазерные импульсы с частотой повторения кГц или выше.
Эти ограничения предъявляют очень высокие требования к лазерным системам, генерирующим такие импульсы. В результате исследователь обратился к волоконным лазерам, которые, по ее словам, «на сегодняшний день являются наиболее эффективной мощной лазерной технологией, а также имеют обширные промышленные разработки, которые можно использовать в нашей работе».
В то время как энергия и мощность импульсов, генерируемых волоконными лазерами, могут быть усилены путем объединения нескольких импульсов в пространстве и времени, эти импульсы в настоящее время ограничены примерно 100 фемтосекундами (фс), что недостаточно для привода лазерных плазменных педалей газа (LPA).
Ученые-исследователи из Центра BELLA, входящего в состав ATAP, поясняют: «Хотя волоконные лазерные системы обеспечивают наивысшую эффективность электрооптической мощности, спектр ультракоротких лазерных импульсов, усиливаемых в этих системах, сужается».
«Когда лазерные импульсы усиливаются таким образом, сужение усиления является фундаментальным эффектом; чем уже спектр импульса, тем больше продолжительность. В результате для мощных волоконных лазеров очень сложно генерировать импульсы короче 100 секунды».
Однако путем спектрального объединения нескольких лазерных импульсов, работающих в соседних диапазонах длин волн, команда (включая Цяна Ду из инженерного отдела и Дэна Вана и Рассела Уилкокса из ATAP) добилась сверхширокого комбинированного спектра, способного поддерживать очень короткие импульсы длительностью в десятки секунд.
Чтобы увеличить полосу пропускания и генерировать импульсы длительностью в десятки секунд, исследователи сначала использовали генератор с синхронизацией мод и волоконный усилитель с иттербиевым волокном (YDFA) для генерации 120-секундных импульсов с частотой повторения 100 МГц. Они были отправлены в фотонно-кристаллическое волокно, и спектр этих лазерных импульсов расширился с 27 нанометров (нм) до 90 нм.
Затем они использовали дихроичное зеркало, которое позволяет разделять или комбинировать лазерные импульсы без значительной потери интенсивности, тем самым разделяя импульсы по спектру. Затем они направлялись на два формирователя импульсов для формирования интенсивности и фазы соответствующих спектров импульсов. При подаче отраженных импульсов на первый формирователь излучаемые импульсы усиливаются YDFA, импульсы формируются вторым формирователем и далее расщепляются другим дихроичным зеркалом. Затем три чирпированных импульса волоконного лазера усиливаются и рекомбинируются с помощью дополнительных дихроичных зеркал.
Этот сверхширокополосный спектр в сочетании с синтетическим формированием импульсов дает импульсы длительностью всего 42 секунды, что намного короче, чем импульсы, создаваемые тремя оптоволоконными каналами. По словам команды, это самая короткая длительность импульса лазера, полученная от спектрально комбинированной иттербиевой волоконной лазерной системы.
Хотя эта работа до сих пор продемонстрировала сверхбыстрые импульсы при низких энергиях, она демонстрирует ключевые принципы сверхширокополосного спектрального объединения и формирования импульсов когерентного спектрального синтеза, а также обеспечивает прорыв в использовании волоконных лазеров для управления лазерными плазменными педалями газа (LPA). В будущем команда планирует добавить больше каскадов усиления и внедрить многомерные методы, способные объединять волоконные лазеры в пространстве, времени и спектре для генерации высокоэнергетических лазерных импульсов длительностью в десятки секунд.