تم تحقيق نبضات قصيرة للغاية من ضوء الليزر بقوة قصوى تبلغ 6 تيراواط (6 تريليون واط) - أي ما يعادل تقريبًا الطاقة التي تنتجها 6,000 محطة للطاقة النووية - من قبل اثنين من علماء الفيزياء في معهد RIKEN. وسيساعد هذا الإنجاز على مواصلة تطوير ليزر الأتوثانية، الذي حصل ثلاثة باحثين عنه على جائزة نوبل في الفيزياء عام 2023. ونُشر العمل في المجلة. طبيعة الضوئيات.
بنفس الطريقة التي يمكن لفلاش الكاميرا أن "يجمد" الأجسام المتحركة بسرعة، مما يجعلها تبدو كما لو كانت ثابتة في الصور، يمكن لنبضات الليزر القصيرة للغاية أن تساعد في إضاءة العمليات فائقة السرعة، مما يوفر للعلماء طريقة قوية لتصويرها والتحقق منها. .
على سبيل المثال، نبضات الليزر بترتيب الأتو ثانية (واحد الأتو ثانية = 10-18 والثانية) قصيرة جدًا بحيث يمكنها الكشف عن حركة الإلكترونات في الذرات والجزيئات، مما يوفر طريقة جديدة لاكتشاف كيفية تطور التفاعلات الكيميائية والكيميائية الحيوية. حتى الضوء يبدو وكأنه يزحف في مثل هذه المقاييس الزمنية القصيرة، ويستغرق حوالي 3 أتوثانية لعبور نانومتر واحد.
يقول إيجي تاكاهاشي من مركز RIKEN للضوئيات المتقدمة (RAP): "من خلال تمكين التقاط حركة الإلكترونات، ساهمت ليزرات الأتو ثانية بشكل كبير في العلوم الأساسية". "ومن المتوقع أن يتم استخدامها في مجموعة واسعة من المجالات، بما في ذلك مراقبة الخلايا البيولوجية، وتطوير مواد جديدة وتشخيص الحالات الطبية."
القوة واللكمة
ولكن في حين أنه من الممكن إنشاء نبضات ليزر فائقة القصر، إلا أنها تفتقر إلى الكثير من القوة، ولها طاقات منخفضة. إن إنشاء نبضات ليزر قصيرة للغاية وذات طاقات عالية من شأنه أن يوسع نطاق استخداماتها المحتملة بشكل كبير. يقول تاكاهاشي: "إن الطاقة الناتجة الحالية من ليزر الأتوثانية منخفضة للغاية". "لذا فمن الضروري زيادة الطاقة الناتجة إذا أريد استخدامها كمصادر للضوء في مجموعة واسعة من المجالات."
مثلما يتم استخدام مكبرات الصوت لتعزيز الإشارات الصوتية، يستخدم فيزيائيو الليزر مكبرات الصوت لزيادة طاقة نبضات الليزر. تستخدم هذه المضخمات عادةً بلورات غير خطية تظهر استجابات خاصة للضوء. لكن هذه البلورات يمكن أن تتضرر بشكل لا يمكن إصلاحه إذا تم استخدامها لتضخيم نبضات الليزر ذات الدورة الواحدة، والتي تكون قصيرة جدًا بحيث تنتهي النبضة قبل أن يتمكن الضوء من التذبذب خلال دورة ذات طول موجي كامل.
يوضح تاكاهاشي: "إن أكبر عنق الزجاجة في تطوير مصادر ليزر الأشعة تحت الحمراء النشطة وفائقة السرعة هو عدم وجود طريقة فعالة لتضخيم نبضات الليزر أحادية الدورة بشكل مباشر". "لقد أدى هذا عنق الزجاجة إلى حاجز واحد ملي جول لطاقة نبضات الليزر ذات الدورة الواحدة."
رقم قياسي جديد
الآن، تاكاهاشي وزميله في RAP، لو شو، لم يتجاوزوا هذا الحاجز فحسب، بل حطموه. لقد قاموا بتضخيم نبضات الدورة الواحدة إلى أكثر من 50 مللي جول، أي أكثر من 50 ضعف أفضل جهد سابق. ونظرًا لأن نبضات الليزر الناتجة قصيرة جدًا، فإن هذه الطاقة تُترجم إلى قوى عالية بشكل لا يصدق تصل إلى عدة تيراواط.
يقول تاكاهاشي: "لقد أظهرنا كيفية التغلب على عنق الزجاجة من خلال إنشاء طريقة فعالة لتضخيم نبضة ليزر أحادية الدورة".
إن طريقتهم، التي تسمى التضخيم البارامتري البصري المزدوج المتقدم (DC-OPA)، بسيطة بشكل مدهش، حيث تتضمن بلورتين فقط، مما يؤدي إلى تضخيم المناطق التكميلية من الطيف.
يقول تاكاهاشي: "إن DC-OPA المتقدم لتضخيم نبضة ليزر أحادية الدورة بسيط للغاية، لأنه يعتمد فقط على مزيج من نوعين من البلورات غير الخطية - يبدو الأمر وكأنه فكرة يمكن لأي شخص أن يتوصل إليها". "لقد فوجئت بأن مثل هذا المفهوم البسيط يقدم تضخيمًا جديدًا التكنلوجيا وتسبب في طفرة في تطوير أشعة الليزر فائقة السرعة عالية الطاقة.
الأهم من ذلك، أن DC-OPA المتقدم يعمل على نطاق واسع جدًا من الأطوال الموجية. تمكن تاكاهاشي وشو من تضخيم النبضات التي تختلف أطوالها الموجية بأكثر من عامل اثنين. يقول تاكاهاشي: "تتمتع هذه الطريقة الجديدة بميزة ثورية تتمثل في إمكانية جعل عرض نطاق التضخيم واسعًا للغاية دون المساس بخصائص قياس طاقة الخرج".
تقنية التضخيم
وتقنيتهم عبارة عن اختلاف عن تقنية تضخيم أخرى للنبضات الضوئية، تسمى "تضخيم النبضة الزقزقة"، والتي حصل ثلاثة باحثين من الولايات المتحدة وفرنسا وكندا على جائزة نوبل في الفيزياء في عام 2018. هناك علاقة مثيرة للاهتمام بين 2018 و 2023. وXNUMX جائزة في مجال تضخيم النبض الزقزقي كانت إحدى التقنيات التي مكنت من تطوير ليزر الأتو ثانية.
ويتوقع تاكاهاشي أن تقنيتهم ستؤدي إلى مزيد من التقدم في تطوير ليزر الأتوثانية. يقول: "لقد نجحنا في تطوير طريقة جديدة لتضخيم الليزر يمكنها زيادة شدة نبضات الليزر أحادية الدورة إلى طاقة ذروة من فئة تيراواط". "إنها بلا شك قفزة كبيرة إلى الأمام في تطوير ليزر الأتوثانية عالي الطاقة."
وعلى المدى الطويل، يضع نصب عينيه تجاوز نطاق ليزر الأتو ثانية وإنشاء نبضات أقصر.
"من خلال الجمع بين أشعة الليزر أحادية الدورة والتأثيرات الضوئية غير الخطية ذات الترتيب العالي، قد يكون من الممكن توليد نبضات ضوئية بعرض زمني قدره زيبتو ثانية (زيبتو ثانية = 10).-21 الثاني)" على حد تعبيره. "هدفي على المدى الطويل هو أن أطرق باب أبحاث ليزر الزيبتوثانية، وفتح المجال للجيل القادم من أشعة الليزر فائقة القصر بعد ليزر الأتوثانية."