Denyutan cahaya laser yang sangat pendek dengan kuasa puncak 6 terawatt (6 trilion watt)—kira-kira setara dengan kuasa yang dihasilkan oleh 6,000 loji kuasa nuklear—telah direalisasikan oleh dua ahli fizik RIKEN. Pencapaian ini akan membantu mengembangkan lagi laser attosecond, yang mana tiga penyelidik telah dianugerahkan Hadiah Nobel dalam Fizik pada tahun 2023. Karya ini diterbitkan dalam jurnal Alam Photonics.
Dengan cara yang sama seperti denyar kamera boleh "membekukan" objek yang bergerak pantas, menjadikannya kelihatan seolah-olah ia berdiri diam dalam foto, nadi laser yang sangat pendek boleh membantu menyalakan proses ultra pantas, memberikan para saintis cara yang berkuasa untuk imej dan menyiasatnya .
Contohnya, denyutan laser mengikut urutan attosaat (satu attosaat = 10-18 kedua) sangat pendek sehingga boleh mendedahkan gerakan elektron dalam atom dan molekul, memberikan cara baharu untuk mengetahui bagaimana tindak balas kimia dan biokimia berkembang. Walaupun cahaya kelihatan merangkak pada skala masa yang singkat, mengambil masa kira-kira 3 attosaat untuk merentasi satu nanometer.
"Dengan memungkinkan untuk menangkap gerakan elektron, laser attosaat telah memberikan sumbangan besar kepada sains asas," kata Eiji Takahashi dari Pusat RIKEN untuk Fotonik Lanjutan (RAP). "Ia dijangka digunakan dalam pelbagai bidang, termasuk memerhati sel biologi, membangunkan bahan baharu dan mendiagnosis keadaan perubatan."
Kuasa dan tumbukan
Tetapi walaupun mungkin untuk mencipta denyutan laser ultrashort, mereka tidak mempunyai banyak pukulan, mempunyai tenaga yang rendah. Mencipta denyutan laser yang kedua-duanya ultra pendek dan mempunyai tenaga tinggi akan meluaskan kemungkinan penggunaannya. "Tenaga keluaran semasa laser attosaat adalah sangat rendah," kata Takahashi. "Jadi adalah penting untuk meningkatkan tenaga keluaran mereka jika ia digunakan sebagai sumber cahaya dalam pelbagai bidang."
Sama seperti penguat audio digunakan untuk meningkatkan isyarat bunyi, ahli fizik laser menggunakan penguat optik untuk meningkatkan tenaga denyutan laser. Penguat ini biasanya menggunakan kristal tak linear yang mempamerkan tindak balas khas kepada cahaya. Tetapi kristal ini boleh rosak tidak boleh diperbaiki jika ia digunakan untuk menguatkan denyutan laser kitaran tunggal, yang sangat pendek sehingga nadi selesai sebelum cahaya boleh berayun melalui kitaran panjang gelombang penuh.
"Hambatan terbesar dalam pembangunan sumber laser inframerah ultra-cepat yang bertenaga ialah kekurangan kaedah yang berkesan untuk secara langsung menguatkan denyutan laser kitaran tunggal," jelas Takahashi. "Kesekatan ini telah mengakibatkan halangan satu milijoule untuk tenaga denyutan laser kitaran tunggal."
Satu rekod baru
Kini, Takahashi dan rakan sekerja RAP, Lu Xu, bukan sahaja melepasi halangan ini, mereka telah menembusinya. Mereka telah menguatkan denyutan kitaran tunggal hingga melebihi 50 milijoule—lebih daripada 50 kali usaha terbaik sebelumnya. Oleh kerana denyutan laser yang terhasil adalah sangat pendek, tenaga ini diterjemahkan kepada kuasa yang sangat tinggi beberapa terawatt.
"Kami telah menunjukkan cara untuk mengatasi kesesakan dengan mewujudkan kaedah yang berkesan untuk menguatkan nadi laser kitaran tunggal," kata Takahashi.
Kaedah mereka, dipanggil penguatan parametrik optik dwi-kicau lanjutan (DC-OPA), adalah sangat mudah, melibatkan hanya dua kristal, yang menguatkan kawasan pelengkap spektrum.
"DC-OPA lanjutan untuk menguatkan nadi laser kitaran tunggal adalah sangat mudah, berdasarkan hanya gabungan dua jenis kristal tak linear-ia terasa seperti idea yang boleh dihasilkan oleh sesiapa sahaja," kata Takahashi. “Saya terkejut kerana konsep mudah itu memberikan penguatan baharu teknologi dan menyebabkan satu kejayaan dalam pembangunan laser ultrafast bertenaga tinggi."
Yang penting, DC-OPA termaju berfungsi pada julat panjang gelombang yang sangat luas. Takahashi dan Xu dapat menguatkan denyutan yang panjang gelombangnya berbeza lebih daripada satu faktor dua. "Kaedah baharu ini mempunyai ciri revolusioner bahawa lebar jalur penguatan boleh dibuat ultralebar tanpa menjejaskan ciri penskalaan tenaga keluaran," kata Takahashi.
Teknik amplifikasi
Teknik mereka adalah variasi pada teknik amplifikasi lain untuk nadi optik, yang dipanggil "penguatan nadi berkicau," yang mana tiga penyelidik dari Amerika Syarikat, Perancis dan Kanada telah dianugerahkan Hadiah Nobel dalam Fizik pada tahun 2018. Terdapat hubungan yang menarik antara 2018 dan hadiah 2023 dalam penguatan nadi berkicau itu adalah salah satu teknik yang membolehkan pembangunan laser attosaat.
Takahashi menjangkakan bahawa teknik mereka akan memajukan lagi pembangunan laser attosecond. "Kami telah berjaya membangunkan kaedah penguatan laser baharu yang boleh meningkatkan keamatan denyutan laser kitaran tunggal kepada kuasa puncak kelas terawatt," katanya. "Ini sudah pasti satu lonjakan besar ke hadapan dalam pembangunan laser attosaat berkuasa tinggi."
Dalam jangka masa yang lebih panjang, dia mempunyai sasaran untuk melampaui laser attosaat dan mencipta denyutan yang lebih pendek.
“Dengan menggabungkan laser kitaran tunggal dengan kesan optik tak linear tertib lebih tinggi, ia mungkin boleh menghasilkan denyutan cahaya dengan lebar masa zeptosaat (satu zeptosaat = 10-21 kedua),” katanya. "Matlamat jangka panjang saya adalah untuk mengetuk pintu penyelidikan zeptosecond-laser, dan membuka generasi seterusnya laser ultrashort selepas laser attosecond."