Двое физиков из RIKEN реализовали чрезвычайно короткие лазерные импульсы с пиковой мощностью 6 тераватт (6 триллионов ватт), что примерно эквивалентно мощности, вырабатываемой 6000 атомными электростанциями. Это достижение, которое будет способствовать дальнейшему развитию аттосекундных лазеров, принесло троим исследователям Нобелевскую премию по физике 2023 года. Исследование было опубликовано в журнале Nature Photonics.
Точно так же, как вспышка камеры может «заморозить» быстродвижущиеся объекты, чтобы они выглядели так, как будто они стоят на фотографии, очень короткие лазерные импульсы могут помочь осветить сверхбыстрые процессы, давая ученым мощный способ их изображения и обнаружения.
Например, лазерные импульсы порядка аттосекунд (1 аттосекунда=10-18 секунды) настолько коротки, что могут выявить движение электронов в атомах и молекулах, открывая новый способ открытия эволюции химических и биохимических реакций. Кажется, даже свет способен ползти за такое короткое время: ему требуется около 3 арсек, чтобы пройти через нанометр.
«Улавливая движение электронов, аттосекундные лазеры вносят значительный вклад в фундаментальную науку», — сказал Эйдзи Такахаши из Центра перспективной фотоники (RAP) RIKEN, — «и ожидается, что они найдут применение в широком диапазоне областей, включая наблюдение». биологических клеток, разработка новых материалов и диагностика заболеваний».
Более эффективный
Однако, хотя и возможно создавать ультракороткие лазерные импульсы, они не обладают ударной силой и имеют низкую энергию. Создание сверхкоротких высокоэнергетических лазерных импульсов значительно расширило бы возможности их применения, говорит Эйдзи Такахаси: «Сегодняшняя выходная энергия аттосекундных лазеров чрезвычайно мала. Поэтому увеличение их выходной энергии имеет решающее значение, если они будут использоваться в качестве источников света в широкий спектр направлений».
Подобно тому, как усилители звука используются для усиления звуковых сигналов, физики лазеров используют оптические усилители для увеличения энергии лазерных импульсов. В этих усилителях обычно используются нелинейные кристаллы, которые специфически реагируют на свет. Однако если эти кристаллы использовать для усиления одноцикловых лазерных импульсов, они могут быть непоправимо повреждены. Одноцикловые лазерные импульсы настолько коротки, что импульс заканчивается до того, как свет пройдет полный цикл длины волны.
Самым большим узким местом в разработке высокоэнергетических сверхбыстрых инфракрасных лазерных источников является отсутствие эффективного метода прямого усиления одноцикловых лазерных импульсов», — сказал Эйдзи Такахаси. Это узкое место приводит к 1-миллиджоульному барьеру для одиночных импульсов. -цикл энергии лазерного импульса».
Установка нового рекорда
Однако сейчас это узкое место преодолено. Им удалось усилить одноцикловые импульсы до более чем 50 миллиджоулей, что более чем в 50 раз превышает предыдущий лучший результат. Поскольку получаемые в результате лазерные импульсы очень короткие, эта энергия преобразуется в невероятно высокую мощность в несколько тераватт.
Такахаши сказал: «Мы продемонстрировали, как преодолеть узкое место, разработав эффективный метод усиления одноцикловых лазерных импульсов».
Их метод, называемый усовершенствованным оптическим параметрическим усилением с двойным чирпом (DC-OPA), очень прост и включает в себя только два кристалла, которые усиливают дополнительные области спектра.
Такахаси сказал: «Усовершенствованный DC-OPA для усиления одноцикловых лазерных импульсов настолько прост, что основан всего лишь на комбинации двух нелинейных кристаллов — кажется, что это идея, которую может придумать каждый. Меня поражает, что такая простая концепция обеспечивает новая технология усиления и прорыв в разработке высокоэнергетических сверхбыстрых лазеров».
Важно отметить, что усовершенствованный DC-OPA работает в очень широком диапазоне длин волн. Команда смогла усилить импульсы с разницей длин волн, более чем в два раза превышающей длину волны. Такахаси сказал: «Этот новый метод обладает революционной особенностью, заключающейся в том, что полоса усиления позволяет получить сверхширокую выходную частоту, не влияя на характеристики масштабирования выходной энергии».
Новая техника усиления
Их метод представляет собой вариант другого метода усиления оптических импульсов, называемого «усиление чирпированных импульсов», за который трое исследователей из США, Франции и Канады были удостоены Нобелевской премии по физике в 2018 году. Лазеры — одна из технологий, стимулирующих развитие лазеров.
Такахаши ожидает, что их технология будет способствовать дальнейшему развитию аттосекундных лазеров: «Мы успешно разработали новый метод лазерного усиления, который может увеличить интенсивность одноцикловых лазерных импульсов до пиковой мощности в тераваттах, — сказал он, — и нет никаких сомнений в том, что что это большой шаг вперед в разработке мощных аттосекундных лазеров».
В долгосрочной перспективе его цель — выйти за рамки аттосекундного лазера и создать еще более короткие импульсы.
