Extreem korte pulsen laserlicht met een piekvermogen van 6 terawatt (6 biljoen watt) – ongeveer gelijk aan de energie geproduceerd door 6,000 kerncentrales – zijn gerealiseerd door twee RIKEN-natuurkundigen. Deze prestatie zal bijdragen aan de verdere ontwikkeling van attoseconde-lasers, waarvoor drie onderzoekers in 2023 de Nobelprijs voor de natuurkunde ontvingen. Het werk is gepubliceerd in het tijdschrift Natuur Fotonica.
Net zoals een cameraflitser snel bewegende objecten kan ‘bevriezen’, waardoor het lijkt alsof ze stil staan op foto’s, kunnen extreem korte laserpulsen ultrasnelle processen helpen verlichten, waardoor wetenschappers een krachtige manier krijgen om ze in beeld te brengen en te onderzoeken. .
Laserpulsen in de orde van attoseconden (één attoseconde = 10-18 ten tweede) zijn zo kort dat ze de beweging van elektronen in atomen en moleculen kunnen onthullen, wat een nieuwe manier biedt om te ontdekken hoe chemische en biochemische reacties evolueren. Zelfs licht lijkt op zulke korte tijdschalen te kruipen; het duurt ongeveer 3 attoseconden om een enkele nanometer te doorkruisen.
‘Door het mogelijk te maken de beweging van elektronen vast te leggen, hebben attosecondelasers een belangrijke bijdrage geleverd aan de basiswetenschap’, zegt Eiji Takahashi van het RIKEN Center for Advanced Photonics (RAP). "Er wordt verwacht dat ze op een breed scala aan gebieden zullen worden gebruikt, waaronder het observeren van biologische cellen, het ontwikkelen van nieuwe materialen en het diagnosticeren van medische aandoeningen."
Kracht en punch
Maar hoewel het mogelijk is ultrakorte laserpulsen te creëren, missen ze veel kracht en hebben ze lage energie. Het creëren van laserpulsen die zowel ultrakort zijn als hoge energieën zouden de mogelijke toepassingen ervan enorm vergroten. ‘De huidige uitgangsenergie van attosecondelasers is extreem laag’, zegt Takahashi. "Het is dus van cruciaal belang om de energie-output ervan te vergroten als ze als lichtbron in een breed scala van velden moeten worden gebruikt."
Net zoals audioversterkers worden gebruikt om geluidssignalen te versterken, gebruiken laserfysici optische versterkers om de energie van laserpulsen te vergroten. Deze versterkers maken meestal gebruik van niet-lineaire kristallen die speciale reacties op licht vertonen. Maar deze kristallen kunnen onherstelbaar beschadigd raken als ze worden gebruikt om laserpulsen met één cyclus te versterken, die zo kort zijn dat de puls eindigt voordat het licht over een volledige golflengtecyclus kan oscilleren.
“Het grootste knelpunt bij de ontwikkeling van energetische, ultrasnelle infraroodlaserbronnen is het ontbreken van een effectieve methode om laserpulsen met één cyclus direct te versterken”, legt Takahashi uit. “Dit knelpunt heeft geresulteerd in een barrière van één millioule voor de energie van laserpulsen met één cyclus.”
Een nieuw record
Nu hebben Takahashi en RAP-collega Lu Xu deze barrière niet alleen overschreden, ze zijn er ook doorheen gebroken. Ze hebben pulsen van één cyclus versterkt tot meer dan 50 millijoule – meer dan 50 keer de vorige beste poging. Omdat de resulterende laserpulsen zo kort zijn, vertaalt deze energie zich in ongelooflijk hoge vermogens van enkele terawatt.
"We hebben gedemonstreerd hoe we dit knelpunt kunnen overwinnen door een effectieve methode op te zetten voor het versterken van een laserpuls met één cyclus", zegt Takahashi.
Hun methode, geavanceerde dual-chirped optische parametrische amplificatie (DC-OPA) genoemd, is verrassend eenvoudig, waarbij slechts twee kristallen betrokken zijn, die complementaire gebieden van het spectrum versterken.
“Geavanceerde DC-OPA voor het versterken van een laserpuls met één cyclus is heel eenvoudig, omdat het gebaseerd is op slechts een combinatie van twee soorten niet-lineaire kristallen. Het voelt als een idee dat iedereen had kunnen bedenken”, zegt Takahashi. “Ik was verrast dat zo’n eenvoudig concept voor een nieuwe versterking zorgde technologie en veroorzaakte een doorbraak in de ontwikkeling van ultrasnelle lasers met hoge energie.”
Belangrijk is dat geavanceerde DC-OPA over een zeer breed golflengtebereik werkt. Takahashi en Xu waren in staat pulsen te versterken waarvan de golflengten meer dan een factor twee verschilden. "Deze nieuwe methode heeft het revolutionaire kenmerk dat de versterkingsbandbreedte ultrabreed kan worden gemaakt zonder de schaaleigenschappen van de uitgangsenergie in gevaar te brengen", zegt Takahashi.
Versterkingstechniek
Hun techniek is een variatie op een andere versterkingstechniek voor optische pulsen, genaamd ‘chirped pulse amplification’, waarvoor drie onderzoekers uit de Verenigde Staten, Frankrijk en Canada in 2018 de Nobelprijs voor de Natuurkunde ontvingen. Er is een interessant verband tussen de 2018 en 2023-prijzen omdat chirped-pulsversterking een van de technieken was die de ontwikkeling van attoseconde-lasers mogelijk maakte.
Takahashi verwacht dat hun techniek de ontwikkeling van attosecondelasers verder zal bevorderen. "We zijn erin geslaagd een nieuwe laserversterkingsmethode te ontwikkelen die de intensiteit van laserpulsen met één cyclus kan verhogen tot een piekvermogen van terawatt-klasse", zegt hij. “Het is ongetwijfeld een grote stap voorwaarts in de ontwikkeling van krachtige attosecondelasers.”
Op de langere termijn wil hij verder gaan dan attoseconde-lasers en nog kortere pulsen creëren.
“Door lasers met één cyclus te combineren met niet-lineaire optische effecten van hogere orde, zou het heel goed mogelijk kunnen zijn om lichtpulsen te genereren met een tijdsduur van zeptoseconden (één zeptoseconde = 10 seconden).-21 tweede)”, zegt hij. "Mijn langetermijndoel is om aan te kloppen op de deur van zeptoseconde-laseronderzoek en de volgende generatie ultrakorte lasers na attoseconde-lasers te openen."