Двое физиков RIKEN реализовали чрезвычайно короткие импульсы лазерного света с пиковой мощностью 6 тераватт (6 триллионов ватт), что примерно эквивалентно мощности, вырабатываемой 6,000 атомными электростанциями. Это достижение поможет дальнейшему развитию аттосекундных лазеров, за которые трое исследователей были удостоены Нобелевской премии по физике в 2023 году. Работа опубликована в журнале Nature Photonics.
Точно так же, как вспышка камеры может «заморозить» быстро движущиеся объекты, заставляя их выглядеть неподвижными на фотографиях, чрезвычайно короткие лазерные импульсы могут помочь осветить сверхбыстрые процессы, предоставляя ученым мощный способ их изображения и исследования. .
Например, лазерные импульсы порядка аттосекунд (одна аттосекунда = 10-18 во-вторых) настолько коротки, что могут раскрыть движение электронов в атомах и молекулах, открывая новый путь к пониманию того, как развиваются химические и биохимические реакции. Кажется, даже свет ползет за столь короткое время: ему требуется около 3 аттосекунд, чтобы пройти один нанометр.
«Позволив фиксировать движение электронов, аттосекундные лазеры внесли большой вклад в фундаментальную науку», — говорит Эйдзи Такахаши из Центра передовой фотоники RIKEN (RAP). «Ожидается, что их будут использовать в самых разных областях, включая наблюдение за биологическими клетками, разработку новых материалов и диагностику заболеваний».
Мощь и удар
Но хотя и возможно создавать ультракороткие лазерные импульсы, им не хватает мощности и они имеют низкую энергию. Создание сверхкоротких и высоких энергий лазерных импульсов значительно расширило бы возможности их использования. «Текущая выходная энергия аттосекундных лазеров чрезвычайно низка», — говорит Такахаши. «Поэтому крайне важно увеличить их выходную энергию, если они будут использоваться в качестве источников света в широком диапазоне областей».
Точно так же, как усилители звука используются для усиления звуковых сигналов, физики лазеров используют оптические усилители для увеличения энергии лазерных импульсов. В этих усилителях обычно используются нелинейные кристаллы, которые проявляют особую реакцию на свет. Но эти кристаллы могут быть непоправимо повреждены, если их использовать для усиления одноцикловых лазерных импульсов, которые настолько коротки, что импульс заканчивается до того, как свет успевает совершить полный цикл длины волны.
«Самым узким местом в разработке энергичных, сверхбыстрых инфракрасных лазерных источников является отсутствие эффективного метода прямого усиления одноцикловых лазерных импульсов», — объясняет Такахаши. «Это узкое место привело к возникновению барьера в один миллиджоуль для энергии одноцикловых лазерных импульсов».
Новая запись
Теперь Такахаси и его коллега по RAP Лу Сюй не просто преодолели этот барьер, они преодолели его. Им удалось усилить одноцикловые импульсы до уровня, превышающего 50 миллиджоулей, что более чем в 50 раз превышает предыдущий лучший результат. Поскольку получаемые в результате лазерные импульсы очень короткие, эта энергия преобразуется в невероятно высокую мощность в несколько тераватт.
«Мы продемонстрировали, как преодолеть это узкое место, разработав эффективный метод усиления одноциклового лазерного импульса», — говорит Такахаши.
Их метод, получивший название усовершенствованного оптического параметрического усиления с двойным чирпом (DC-OPA), удивительно прост и включает всего два кристалла, которые усиливают дополнительные области спектра.
«Усовершенствованный DC-OPA для усиления одноциклового лазерного импульса очень прост, поскольку основан всего лишь на комбинации двух типов нелинейных кристаллов — это похоже на идею, которую мог бы придумать кто угодно», — говорит Такахаши. «Я был удивлен, что такая простая концепция обеспечила новое усиление technology и вызвали прорыв в разработке высокоэнергетических сверхбыстрых лазеров».
Важно отметить, что усовершенствованный DC-OPA работает в очень широком диапазоне длин волн. Такахаши и Сюй смогли усилить импульсы, длины волн которых различались более чем в два раза. «Этот новый метод обладает революционной особенностью: полосу усиления можно сделать сверхширокой без ущерба для характеристик масштабирования выходной энергии», — говорит Такахаши.
Техника усиления
Их метод представляет собой вариацию другого метода усиления оптических импульсов, называемого «усиление чирпированных импульсов», за который три исследователя из США, Франции и Канады были удостоены Нобелевской премии по физике в 2018 году. Существует интересная связь между и 2018 года за то, что усиление чирпированных импульсов стало одним из методов, позволивших разработать аттосекундные лазеры.
Такахаси ожидает, что их технология будет способствовать дальнейшему развитию аттосекундных лазеров. «Нам удалось разработать новый метод лазерного усиления, который может увеличить интенсивность одноцикловых лазерных импульсов до пиковой мощности тераваттного класса», — говорит он. «Это, несомненно, большой шаг вперед в разработке мощных аттосекундных лазеров».
В долгосрочной перспективе он намерен выйти за рамки аттосекундных лазеров и создать еще более короткие импульсы.
«Объединив одноцикловые лазеры с нелинейными оптическими эффектами более высокого порядка, вполне возможно генерировать импульсы света с временной шириной в зептосекунды (одна зептосекунда = 10-21 второй)», — говорит он. «Моя долгосрочная цель — постучать в дверь исследований зептосекундных лазеров и открыть следующее поколение ультракоротких лазеров после аттосекундных лазеров».