6개의 원자력 발전소에서 생산되는 전력과 대략 동일한 6테라와트(6,000조 와트)의 피크 전력을 갖는 매우 짧은 레이저 광 펄스가 두 명의 RIKEN 물리학자에 의해 실현되었습니다. 이 성과는 아토초 레이저를 더욱 발전시키는 데 도움이 될 것이며, 2023명의 연구자가 XNUMX년에 노벨 물리학상을 수상했습니다. 해당 연구는 저널에 게재되었습니다. 자연 Photonics.
카메라 플래시가 빠르게 움직이는 물체를 "동결"시켜 사진에서 정지해 있는 것처럼 보이도록 하는 것과 마찬가지로, 매우 짧은 레이저 펄스는 초고속 프로세스를 밝히는 데 도움이 되어 과학자들에게 이미지를 생성하고 조사할 수 있는 강력한 방법을 제공합니다. .
예를 들어, 아토초 단위의 레이저 펄스(10아토초 = XNUMX- 18 둘째) 너무 짧아서 원자와 분자 내 전자의 움직임을 밝힐 수 있으며, 화학 및 생화학적 반응이 어떻게 진화하는지 발견할 수 있는 새로운 방법을 제공합니다. 빛조차도 3나노미터를 횡단하는 데 약 XNUMX아토초가 걸리는 짧은 시간 규모로 기어가는 것처럼 보입니다.
RIKEN 첨단 포토닉스 센터(RAP)의 Eiji Takahashi는 “아토초 레이저는 전자의 움직임을 포착할 수 있게 함으로써 기초 과학에 큰 공헌을 했습니다.”라고 말했습니다. 생물학적 세포 관찰, 신소재 개발, 질병 진단 등 다양한 분야에서 활용될 것으로 기대된다”고 말했다.
파워 앤 펀치
그러나 극초단 레이저 펄스를 생성하는 것은 가능하지만 에너지가 낮고 펀치력이 부족합니다. 초단거리이면서도 높은 에너지를 갖는 레이저 펄스를 생성하면 그 용도가 크게 확대될 것입니다. Takahashi는 "아토초 레이저의 현재 출력 에너지는 매우 낮습니다."라고 말합니다. "따라서 광범위한 분야에서 광원으로 사용하려면 출력 에너지를 높이는 것이 중요합니다."
오디오 증폭기가 소리 신호를 증폭시키는 데 사용되는 것처럼, 레이저 물리학자들은 레이저 펄스의 에너지를 증가시키기 위해 광학 증폭기를 사용합니다. 이러한 증폭기는 일반적으로 빛에 특별한 반응을 보이는 비선형 결정을 사용합니다. 그러나 이러한 결정은 단일 주기 레이저 펄스를 증폭하는 데 사용되는 경우 회복 불가능하게 손상될 수 있습니다. 이 펄스는 너무 짧아서 빛이 전체 파장 주기를 통해 진동하기 전에 펄스가 완료됩니다.
Takahashi는 "에너지가 풍부한 초고속 적외선 레이저 소스 개발에서 가장 큰 병목 현상은 단일 주기 레이저 펄스를 직접 증폭하는 효과적인 방법이 없다는 것입니다."라고 설명합니다. "이러한 병목 현상으로 인해 단일 주기 레이저 펄스 에너지에 대한 1밀리줄 장벽이 발생했습니다."
새로운 기록
이제 Takahashi와 RAP 동료인 Lu Xu는 이 장벽을 넘어섰을 뿐만 아니라 이를 돌파했습니다. 단일 사이클 펄스를 50밀리줄 이상으로 증폭시켰습니다. 이는 이전 최고 노력의 50배 이상입니다. 결과적인 레이저 펄스는 매우 짧기 때문에 이 에너지는 수 테라와트의 믿을 수 없을 만큼 높은 출력으로 변환됩니다.
Takahashi는 “우리는 단일 주기 레이저 펄스를 증폭하는 효과적인 방법을 확립하여 병목 현상을 극복하는 방법을 입증했습니다.
DC-OPA(Advanced Dual-Chirped Optical Parametric Amplification)라고 불리는 그들의 방법은 놀라울 정도로 간단하며, 스펙트럼의 상보적인 영역을 증폭하는 단 두 개의 결정만 사용합니다.
"단일 주기 레이저 펄스를 증폭하기 위한 고급 DC-OPA는 두 종류의 비선형 결정의 조합을 기반으로 하기 때문에 매우 간단합니다. 누구나 생각해낼 수 있는 아이디어처럼 느껴집니다."라고 Takahashi는 말합니다. “이런 단순한 개념이 새로운 증폭을 제공한다는 사실에 놀랐습니다. technology 고에너지 초고속 레이저 개발에 획기적인 발전을 가져왔습니다.”
중요한 것은 고급 DC-OPA가 매우 광범위한 파장에서 작동한다는 것입니다. Takahashi와 Xu는 파장이 2배 이상 다른 펄스를 증폭할 수 있었습니다. Takahashi는 “이 새로운 방법은 출력 에너지 확장 특성을 손상시키지 않으면서 증폭 대역폭을 초광대역으로 만들 수 있다는 혁신적인 기능을 가지고 있습니다.”라고 말했습니다.
증폭 기술
그들의 기술은 미국, 프랑스, 캐나다의 세 명의 연구원이 2018년에 노벨 물리학상을 수상한 "처프 펄스 증폭"이라고 불리는 광 펄스의 또 다른 증폭 기술의 변형입니다. 2018년 사이에는 흥미로운 연관성이 있습니다. 처프 펄스 증폭은 아토초 레이저 개발을 가능하게 한 기술 중 하나라는 점에서 2023년 상을 받았습니다.
Takahashi는 그들의 기술이 아토초 레이저의 개발을 더욱 발전시킬 것으로 기대하고 있습니다. “우리는 단일 주기 레이저 펄스의 강도를 테라와트급 피크 전력으로 증가시킬 수 있는 새로운 레이저 증폭 방법을 개발하는 데 성공했습니다.”라고 그는 말합니다. "이것은 의심할 여지없이 고출력 아토초 레이저 개발에 있어 큰 도약입니다."
장기적으로 그는 아토초 레이저를 넘어 더 짧은 펄스를 생성하는 데 목표를 두고 있습니다.
“단일 주기 레이저와 고차 비선형 광학 효과를 결합하면 젭토초(10 젭토초 = XNUMX- 21 둘째)”라고 말했다. “저의 장기적인 목표는 젭토초 레이저 연구의 문을 두드리고, 아토초 레이저 이후 차세대 초단거리 레이저를 여는 것입니다.”