פולסים קצרים במיוחד של אור לייזר עם הספק שיא של 6 טרה וואט (6 טריליון וואט) - שווה ערך בערך להספק המיוצר על ידי 6,000 תחנות כוח גרעיניות - מומשו על ידי שני פיזיקאים של RIKEN. הישג זה יסייע בפיתוח נוסף של לייזרים attosecond, שעליהם זכו שלושה חוקרים בפרס נובל לפיזיקה לשנת 2023. העבודה מתפרסמת בכתב העת Nature Photonics.
באותו אופן שבו פלאש מצלמה יכול "להקפיא" עצמים הנעים במהירות, ולגרום להם להיראות כאילו הם עומדים במקום בתמונות, פעימות לייזר קצרות במיוחד יכולים לעזור להאיר תהליכים מהירים במיוחד, ולספק למדענים דרך רבת עוצמה לצלם ולחקור אותם .
לדוגמה, פולסי לייזר בסדר גודל של אטושניות (אטושניה אחת = 10-18 שנית) כל כך קצרים שהם יכולים לחשוף את תנועת האלקטרונים באטומים ובמולקולות, מה שנותן דרך חדשה לגלות כיצד מתפתחות תגובות כימיות וביוכימיות. נראה שאפילו האור זוחל בסקאלות זמן כה קצרות, שלוקח כ-3 אטושניות לחצות ננומטר בודד.
"על ידי כך שאפשרו ללכוד את תנועת האלקטרונים, לייזרים אטושניות תרמו תרומה גדולה למדע הבסיסי", אומר אייג'י טקהאשי ממרכז RIKEN לפוטוניקה מתקדמת (RAP). "הם צפויים לשמש במגוון רחב של תחומים, כולל צפייה בתאים ביולוגיים, פיתוח חומרים חדשים ואבחון מצבים רפואיים".
כוח ואגרוף
אבל בעוד שניתן ליצור פולסי לייזר קצרים במיוחד, הם חסרים הרבה אגרוף, בעלי אנרגיות נמוכות. יצירת פולסי לייזר שהם גם קצרים במיוחד וגם בעלי אנרגיות גבוהות תרחיב מאוד את השימושים האפשריים שלהם. "אנרגיית הפלט הנוכחית של לייזרים אטושניות נמוכה ביותר", אומר טקהאשי. "אז זה חיוני להגדיל את אנרגיית הפלט שלהם אם הם מיועדים לשמש כמקורות אור במגוון רחב של תחומים."
בדיוק כפי שמגברי שמע משמשים להגברת אותות קול, פיזיקאים בלייזר משתמשים במגברים אופטיים כדי להגביר את האנרגיה של פולסי לייזר. מגברים אלה משתמשים בדרך כלל בקריסטלים לא ליניאריים המפגינים תגובות מיוחדות לאור. אבל הגבישים האלה עלולים להינזק באופן בלתי הפיך אם הם משמשים להגברת פעימות לייזר חד-מחזוריות, שהן כה קצרות עד שהפולס מסתיים לפני שהאור יכול להתנודד במחזור של אורך גל מלא.
"צוואר הבקבוק הגדול ביותר בפיתוח מקורות לייזר אינפרא אדום אנרגטיים ומהירים במיוחד היה היעדר שיטה יעילה להגברה ישירה של פעימות לייזר חד-מחזוריות", מסביר טקאהאשי. "צוואר הבקבוק הזה הביא למחסום של מיליאול אחד עבור האנרגיה של פעימות לייזר חד-מחזוריות."
שיא חדש
כעת, טקהאשי ועמית ל-RAP, לו שו, לא סתם חצו את המחסום הזה, הם ניתצו אותו. הם הגבירו פולסים חד-מחזוריים למעל 50 מיליג'אול - יותר מפי 50 מהמאמץ הטוב ביותר הקודם. מכיוון שפולסי הלייזר המתקבלים כה קצרים, אנרגיה זו מתורגמת להספקים גבוהים להפליא של מספר טרה-וואט.
"הדגמנו כיצד להתגבר על צוואר הבקבוק על ידי הקמת שיטה יעילה להגברת דופק לייזר חד-מחזורי", אומר טקהאשי.
השיטה שלהם, המכונה Advanced dual-chirped optical parametric amplification (DC-OPA), פשוטה להפתיע, וכוללת רק שני גבישים, שמגבירים אזורים משלימים של הספקטרום.
"DC-OPA מתקדם להגברת דופק לייזר חד-מחזורי הוא פשוט מאוד, כשהוא מבוסס רק על שילוב של שני סוגים של גבישים לא ליניאריים - זה מרגיש כמו רעיון שכל אחד יכול היה להמציא", אומר טקהאשי. "הופתעתי שקונספט כל כך פשוט סיפק הגברה חדשה טֶכנוֹלוֹגִיָה וגרם לפריצת דרך בפיתוח לייזרים אולטרה-מהירים בעלי אנרגיה גבוהה".
חשוב לציין, DC-OPA מתקדם עובד על טווח רחב מאוד של אורכי גל. Takahashi ו-Xu הצליחו להגביר פולסים שאורך הגל שלהם היה שונה ביותר מפקטור של שניים. "לשיטה החדשה הזו יש את התכונה המהפכנית שניתן להפוך את רוחב הפס ההגברה לרחב במיוחד מבלי לפגוע במאפייני קנה המידה של אנרגיית הפלט", אומר Takahashi.
טכניקת הגברה
הטכניקה שלהם היא וריאציה על טכניקת הגברה אחרת לפולסים אופטיים, המכונה "הגברת דופק ציוץ", שבגינה זכו שלושה חוקרים מארצות הברית, צרפת וקנדה בפרס נובל לפיזיקה לשנת 2018. יש קשר מעניין בין 2018 ופרסים לשנת 2023 בכך שהגברת דופק ציוץ הייתה אחת הטכניקות שאפשרו את הפיתוח של לייזרים אטושניות.
Takahashi צופה שהטכניקה שלהם תקדם עוד יותר את הפיתוח של לייזרים attosecond. "הצלחנו לפתח שיטת הגברה חדשה של לייזר שיכולה להגביר את עוצמת פולסי הלייזר במחזור בודד לשיא הספק בדרגת טרוואט", הוא אומר. "זה ללא ספק קפיצת מדרגה גדולה בפיתוח לייזרים אטושניות בעלי הספק גבוה."
בטווח הארוך יותר, הוא מתכוון ללכת מעבר ללייזר אטושני וליצור פולסים קצרים עוד יותר.
"על ידי שילוב של לייזרים חד-מחזוריים עם אפקטים אופטיים לא ליניאריים מסדר גבוה יותר, בהחלט יכול להיות שניתן ליצור פולסים של אור ברוחב זמן של זפטושניות (צפטושניה אחת = 10-21 שני)", הוא אומר. "המטרה ארוכת הטווח שלי היא לדפוק על הדלת של מחקר לייזר זפטו-שניה, ולפתוח את הדור הבא של לייזרים אולטרה-קצרים אחרי לייזרים אטו-שניות".