Pulsa sinar laser yang sangat pendek dengan daya puncak 6 terawatt (6 triliun watt)—kira-kira setara dengan daya yang dihasilkan oleh 6,000 pembangkit listrik tenaga nuklir—telah disadari oleh dua fisikawan RIKEN. Pencapaian ini akan membantu pengembangan lebih lanjut laser attosecond, yang mana tiga peneliti dianugerahi Hadiah Nobel Fisika pada tahun 2023. Karya tersebut dipublikasikan di jurnal Nature Photonics.
Sama seperti lampu kilat kamera yang dapat “membekukan” objek yang bergerak dengan cepat, membuatnya tampak seolah-olah diam dalam foto, gelombang laser yang sangat pendek dapat membantu menerangi proses yang sangat cepat, memberikan para ilmuwan cara yang ampuh untuk mengambil gambar dan menyelidiki objek tersebut. .
Misalnya, pulsa laser dengan orde attodetik (satu attodetik = 10-18 kedua) sangat singkat sehingga dapat mengungkap pergerakan elektron dalam atom dan molekul, memberikan cara baru untuk mengetahui bagaimana reaksi kimia dan biokimia berkembang. Bahkan cahaya tampaknya merayap dalam skala waktu yang sangat singkat, membutuhkan sekitar 3 attodetik untuk melintasi satu nanometer.
“Dengan memungkinkan penangkapan pergerakan elektron, laser attodetik telah memberikan kontribusi besar terhadap ilmu pengetahuan dasar,” kata Eiji Takahashi dari RIKEN Center for Advanced Photonics (RAP). “Mereka diharapkan dapat digunakan dalam berbagai bidang, termasuk mengamati sel biologis, mengembangkan bahan baru, dan mendiagnosis kondisi medis.”
Kekuatan dan pukulan
Meskipun dimungkinkan untuk menghasilkan pulsa laser ultrapendek, namun energinya rendah dan tidak terlalu kuat. Menciptakan pulsa laser yang sangat pendek dan berenergi tinggi akan sangat memperluas kemungkinan penggunaannya. “Energi keluaran laser attodetik saat ini sangat rendah,” kata Takahashi. “Jadi sangat penting untuk meningkatkan keluaran energinya jika ingin digunakan sebagai sumber cahaya di berbagai bidang.”
Sama seperti amplifier audio yang digunakan untuk meningkatkan sinyal suara, fisikawan laser menggunakan amplifier optik untuk meningkatkan energi pulsa laser. Amplifier ini biasanya menggunakan kristal nonlinier yang menunjukkan respons khusus terhadap cahaya. Namun kristal-kristal ini dapat mengalami kerusakan yang tidak dapat diperbaiki jika digunakan untuk memperkuat pulsa laser satu siklus, yang sangat pendek sehingga pulsa selesai sebelum cahaya dapat berosilasi melalui siklus panjang gelombang penuh.
“Hambatan terbesar dalam pengembangan sumber laser inframerah ultracepat dan energik adalah kurangnya metode efektif untuk memperkuat pulsa laser satu siklus secara langsung,” jelas Takahashi. “Kemacetan ini telah menghasilkan penghalang satu milijoule untuk energi pulsa laser satu siklus.”
Sebuah rekor baru
Kini, Takahashi dan rekan RAP, Lu Xu, tidak hanya melampaui penghalang ini, mereka juga telah menerobosnya. Mereka telah memperkuat pulsa satu siklus hingga melampaui 50 milijoule—lebih dari 50 kali upaya terbaik sebelumnya. Karena pulsa laser yang dihasilkan sangat pendek, energi ini diterjemahkan menjadi kekuatan yang sangat tinggi yaitu beberapa terawatt.
“Kami telah mendemonstrasikan cara mengatasi kemacetan dengan menetapkan metode efektif untuk memperkuat pulsa laser satu siklus,” kata Takahashi.
Metode mereka, yang disebut amplifikasi parametrik optik berkicau ganda (DC-OPA) tingkat lanjut, ternyata sangat sederhana, hanya melibatkan dua kristal, yang memperkuat wilayah spektrum yang saling melengkapi.
“DC-OPA tingkat lanjut untuk memperkuat pulsa laser satu siklus sangat sederhana, hanya didasarkan pada kombinasi dua jenis kristal nonlinier—rasanya seperti sebuah ide yang dapat dipikirkan oleh siapa pun,” kata Takahashi. “Saya terkejut bahwa konsep sederhana seperti itu memberikan penguatan baru teknologi dan menyebabkan terobosan dalam pengembangan laser ultracepat berenergi tinggi.”
Yang penting, DC-OPA tingkat lanjut bekerja pada rentang panjang gelombang yang sangat luas. Takahashi dan Xu mampu memperkuat pulsa yang panjang gelombangnya berbeda lebih dari dua kali lipat. “Metode baru ini memiliki fitur revolusioner yaitu bandwidth amplifikasi dapat dibuat sangat lebar tanpa mengorbankan karakteristik skala energi keluaran,” kata Takahashi.
Teknik amplifikasi
Teknik mereka adalah variasi dari teknik amplifikasi pulsa optik lainnya, yang disebut “amplifikasi pulsa kicau”, yang mana tiga peneliti dari Amerika Serikat, Prancis, dan Kanada dianugerahi Hadiah Nobel Fisika pada tahun 2018. Ada hubungan yang menarik antara tahun 2018. dan hadiah tahun 2023 dalam amplifikasi denyut nadi adalah salah satu teknik yang memungkinkan pengembangan laser attodetik.
Takahashi mengantisipasi bahwa teknik mereka akan lebih memajukan pengembangan laser attosecond. “Kami telah berhasil mengembangkan metode amplifikasi laser baru yang dapat meningkatkan intensitas pulsa laser satu siklus hingga daya puncak kelas terawatt,” katanya. “Ini tidak diragukan lagi merupakan lompatan besar dalam pengembangan laser attosecond berkekuatan tinggi.”
Dalam jangka panjang, ia menargetkan untuk melampaui laser attodetik dan menciptakan gelombang yang lebih pendek.
“Dengan menggabungkan laser siklus tunggal dengan efek optik nonlinier tingkat tinggi, dimungkinkan untuk menghasilkan pulsa cahaya dengan rentang waktu zeptodetik (satu zeptodetik = 10-21 kedua),” katanya. “Tujuan jangka panjang saya adalah membuka pintu penelitian laser zeptodetik, dan membuka laser ultrashort generasi berikutnya setelah laser attodetik.”