Impulsi estremamente brevi di luce laser con una potenza di picco di 6 terawatt (6 trilioni di watt), più o meno equivalente alla potenza prodotta da 6,000 centrali nucleari, sono stati realizzati da due fisici del RIKEN. Questo risultato aiuterà a sviluppare ulteriormente i laser ad attosecondi, per i quali tre ricercatori hanno ricevuto il Premio Nobel per la fisica nel 2023. Il lavoro è pubblicato sulla rivista Nature Photonics.
Allo stesso modo in cui il flash di una fotocamera può “congelare” oggetti in rapido movimento, facendoli apparire come se fossero fermi nelle foto, impulsi laser estremamente brevi possono aiutare a illuminare processi ultraveloci, fornendo agli scienziati un potente modo per immaginarli e sondarli .
Ad esempio, gli impulsi laser dell'ordine degli attosecondi (un attosecondo = 10-18 secondo) sono così brevi che possono rivelare il movimento degli elettroni negli atomi e nelle molecole, offrendo un nuovo modo per scoprire come evolvono le reazioni chimiche e biochimiche. Anche la luce sembra strisciare su scale temporali così brevi, impiegando circa 3 attosecondi per attraversare un singolo nanometro.
“Rendendo possibile catturare il movimento degli elettroni, i laser ad attosecondi hanno dato un contributo importante alla scienza di base”, afferma Eiji Takahashi del RIKEN Center for Advanced Photonics (RAP). “Si prevede che verranno utilizzati in una vasta gamma di campi, tra cui l’osservazione di cellule biologiche, lo sviluppo di nuovi materiali e la diagnosi di condizioni mediche”.
Potenza e pugno
Ma sebbene sia possibile creare impulsi laser ultracorti, essi mancano di molta potenza, avendo basse energie. La creazione di impulsi laser che siano sia ultracorti che ad alta energia amplierebbe notevolmente i loro possibili usi. “L’energia di uscita attuale dei laser ad attosecondi è estremamente bassa”, afferma Takahashi. “Quindi è fondamentale aumentare la loro energia in uscita se devono essere utilizzati come fonti di luce in una vasta gamma di campi”.
Proprio come gli amplificatori audio vengono utilizzati per amplificare i segnali sonori, i fisici dei laser utilizzano amplificatori ottici per aumentare l'energia degli impulsi laser. Questi amplificatori utilizzano solitamente cristalli non lineari che mostrano risposte speciali alla luce. Ma questi cristalli possono essere danneggiati irreparabilmente se vengono utilizzati per amplificare gli impulsi laser a ciclo singolo, che sono così brevi che l’impulso termina prima che la luce possa oscillare attraverso un ciclo completo di lunghezza d’onda.
“Il più grande ostacolo nello sviluppo di sorgenti laser a infrarossi energiche e ultraveloci è stata la mancanza di un metodo efficace per amplificare direttamente gli impulsi laser a ciclo singolo”, spiega Takahashi. “Questo collo di bottiglia ha prodotto una barriera di un millijoule per l’energia degli impulsi laser a ciclo singolo”.
Un nuovo record
Ora, Takahashi e il collega del RAP, Lu Xu, non hanno solo superato questa barriera, ma l’hanno sfondata. Hanno amplificato gli impulsi a ciclo singolo fino a oltre 50 millijoule, più di 50 volte il miglior sforzo precedente. Poiché gli impulsi laser risultanti sono così brevi, questa energia si traduce in potenze incredibilmente elevate di diversi terawatt.
"Abbiamo dimostrato come superare il collo di bottiglia stabilendo un metodo efficace per amplificare un impulso laser a ciclo singolo", afferma Takahashi.
Il loro metodo, chiamato amplificazione parametrica ottica avanzata a doppio cinguettio (DC-OPA), è sorprendentemente semplice e coinvolge solo due cristalli, che amplificano regioni complementari dello spettro.
"Il DC-OPA avanzato per amplificare un impulso laser a ciclo singolo è molto semplice, essendo basato solo su una combinazione di due tipi di cristalli non lineari: sembra un'idea che chiunque avrebbe potuto inventare", afferma Takahashi. “Sono rimasto sorpreso dal fatto che un concetto così semplice abbia fornito una nuova amplificazione la tecnologia e ha causato una svolta nello sviluppo di laser ultraveloci ad alta energia”.
È importante sottolineare che il DC-OPA avanzato funziona su una gamma molto ampia di lunghezze d'onda. Takahashi e Xu sono stati in grado di amplificare gli impulsi le cui lunghezze d'onda differivano di oltre un fattore due. "Questo nuovo metodo ha la caratteristica rivoluzionaria che la larghezza di banda dell'amplificazione può essere resa ultraampia senza compromettere le caratteristiche di scalabilità dell'energia in uscita", afferma Takahashi.
Tecnica di amplificazione
La loro tecnica è una variazione di un'altra tecnica di amplificazione degli impulsi ottici, chiamata "amplificazione dell'impulso chirpato", per la quale tre ricercatori provenienti da Stati Uniti, Francia e Canada hanno ricevuto il Premio Nobel per la fisica nel 2018. C'è un collegamento interessante tra il 2018 e 2023 in quanto l'amplificazione degli impulsi cinguettati è stata una delle tecniche che hanno consentito lo sviluppo di laser ad attosecondi.
Takahashi prevede che la loro tecnica farà avanzare ulteriormente lo sviluppo dei laser ad attosecondi. "Siamo riusciti a sviluppare un nuovo metodo di amplificazione laser in grado di aumentare l'intensità degli impulsi laser a ciclo singolo fino a una potenza di picco di classe terawatt", afferma. “Si tratta senza dubbio di un grande passo avanti nello sviluppo di laser ad attosecondi ad alta potenza”.
A lungo termine, il suo obiettivo è andare oltre i laser ad attosecondi e creare impulsi ancora più brevi.
“Combinando laser a ciclo singolo con effetti ottici non lineari di ordine superiore, potrebbe essere possibile generare impulsi di luce con una larghezza temporale di zeptosecondi (uno zeptosecondo = 10-21 secondo)”, dice. “Il mio obiettivo a lungo termine è bussare alla porta della ricerca sui laser a zeptosecondi e aprire la strada alla prossima generazione di laser ultracorti dopo i laser ad attosecondi”.