พัลส์แสงเลเซอร์ที่สั้นมากซึ่งมีกำลังสูงสุด 6 เทราวัตต์ (6 ล้านล้านวัตต์) ซึ่งเทียบเท่ากับพลังงานที่ผลิตโดยโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ 6,000 แห่งโดยประมาณ ได้รับการสร้างขึ้นโดยนักฟิสิกส์ของ RIKEN สองคน ความสำเร็จนี้จะช่วยพัฒนาเลเซอร์ระดับ attosecond ต่อไป ซึ่งนักวิจัย 2023 คนได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ในปี XNUMX งานนี้ตีพิมพ์ในวารสาร Photonics ธรรมชาติ.
ในลักษณะเดียวกับที่แฟลชกล้องสามารถ "หยุด" วัตถุที่เคลื่อนที่อย่างรวดเร็ว ทำให้วัตถุปรากฏราวกับว่าพวกมันกำลังยืนอยู่กับที่ในภาพถ่าย พัลส์เลเซอร์ที่สั้นมากสามารถช่วยส่องสว่างกระบวนการที่เร็วมาก ทำให้นักวิทยาศาสตร์มีวิธีที่มีประสิทธิภาพในการถ่ายภาพและสำรวจพวกมัน .
ตัวอย่างเช่น พัลส์เลเซอร์ลำดับของ attoseconds (หนึ่ง attosecond = 10-18 ประการที่สอง) สั้นมากจนสามารถเปิดเผยการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนในอะตอมและโมเลกุลได้ ทำให้มีวิธีใหม่ในการค้นหาว่าปฏิกิริยาเคมีและชีวเคมีมีวิวัฒนาการอย่างไร แม้แต่แสงก็ดูเหมือนจะคลานในช่วงเวลาสั้น ๆ โดยใช้เวลาประมาณ 3 อัตโตวินาทีในการเคลื่อนที่ไปในนาโนเมตรเดียว
Eiji Takahashi จาก RIKEN Center for Advanced Photonics (RAP) กล่าวว่า "ด้วยการทำให้สามารถจับการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนได้ เลเซอร์ระดับ attosecond มีส่วนสำคัญต่อวิทยาศาสตร์ขั้นพื้นฐาน" “คาดว่าพวกมันจะถูกนำไปใช้ในหลากหลายสาขา รวมถึงการสังเกตเซลล์ทางชีววิทยา การพัฒนาวัสดุใหม่ๆ และการวินิจฉัยสภาวะทางการแพทย์”
พลังและหมัด
แต่แม้ว่าจะเป็นไปได้ที่จะสร้างพัลส์เลเซอร์ที่สั้นมากเป็นพิเศษ แต่ก็ขาดหมัดมากและมีพลังงานต่ำ การสร้างพัลส์เลเซอร์ที่มีทั้งขนาดสั้นมากและมีพลังงานสูงจะช่วยขยายการใช้งานที่เป็นไปได้อย่างมาก “พลังงานเอาท์พุตในปัจจุบันของเลเซอร์ระดับอัตโตวินาทีนั้นต่ำมาก” ทาคาฮาชิกล่าว “ดังนั้นจึงจำเป็นอย่างยิ่งที่จะต้องเพิ่มพลังงานเอาท์พุตหากต้องการใช้เป็นแหล่งกำเนิดแสงในหลากหลายสาขา”
เช่นเดียวกับที่ใช้เครื่องขยายเสียงเพื่อเพิ่มสัญญาณเสียง นักฟิสิกส์เลเซอร์ใช้เครื่องขยายเสียงแบบออปติคัลเพื่อเพิ่มพลังงานของพัลส์เลเซอร์ แอมพลิฟายเออร์เหล่านี้มักจะใช้คริสตัลไม่เชิงเส้นซึ่งมีการตอบสนองต่อแสงเป็นพิเศษ แต่คริสตัลเหล่านี้อาจได้รับความเสียหายอย่างไม่อาจซ่อมแซมได้หากใช้เพื่อขยายพัลส์เลเซอร์แบบรอบเดียว ซึ่งสั้นมากจนพัลส์เสร็จสิ้นก่อนที่แสงจะสั่นไหวตลอดวงจรความยาวคลื่นเต็มรูปแบบ
“ปัญหาคอขวดที่ใหญ่ที่สุดในการพัฒนาแหล่งเลเซอร์อินฟราเรดที่มีพลังและเร็วเป็นพิเศษคือการไม่มีวิธีการที่มีประสิทธิภาพในการขยายพัลส์เลเซอร์รอบเดียวโดยตรง” ทาคาฮาชิอธิบาย “ปัญหาคอขวดนี้ส่งผลให้เกิดอุปสรรคหนึ่งมิลลิจูลสำหรับพลังงานของพัลส์เลเซอร์รอบเดียว”
บันทึกใหม่
ตอนนี้ Lu Xu ซึ่งเป็นเพื่อนร่วมงานของ Takahashi และ RAP ไม่เพียงแต่ก้าวข้ามอุปสรรคนี้เท่านั้น แต่พวกเขายังฝ่าฟันมันไปได้อีกด้วย พวกเขาได้ขยายพัลส์รอบเดียวให้เกินกว่า 50 มิลลิจูล ซึ่งมากกว่าความพยายามที่ดีที่สุดก่อนหน้านี้มากกว่า 50 เท่า เนื่องจากพัลส์เลเซอร์ที่เกิดขึ้นนั้นสั้นมาก พลังงานนี้จึงแปลงเป็นกำลังสูงอย่างไม่น่าเชื่อหลายเทราวัตต์
“เราได้สาธิตวิธีการเอาชนะปัญหาคอขวดด้วยการสร้างวิธีการที่มีประสิทธิภาพในการขยายพัลส์เลเซอร์รอบเดียว” ทาคาฮาชิกล่าว
วิธีการของพวกเขาเรียกว่า Advanced dual-chirped optical parametric amplification (DC-OPA) เป็นเรื่องง่ายอย่างน่าประหลาดใจ โดยใช้เพียงคริสตัล 2 ชิ้นเท่านั้น ซึ่งจะขยายขอบเขตที่เสริมกันของสเปกตรัม
“DC-OPA ขั้นสูงสำหรับการขยายพัลส์เลเซอร์รอบเดียวนั้นง่ายมาก โดยอาศัยเพียงการรวมกันของคริสตัลไม่เชิงเส้นสองชนิดเข้าด้วยกัน มันให้ความรู้สึกเหมือนเป็นแนวคิดที่ใครๆ ก็คิดขึ้นมาได้” ทาคาฮาชิกล่าว “ฉันรู้สึกประหลาดใจที่แนวคิดที่เรียบง่ายเช่นนี้ทำให้เกิดการขยายสัญญาณแบบใหม่ เทคโนโลยี และทำให้เกิดความก้าวหน้าในการพัฒนาเลเซอร์ความเร็วสูงพิเศษพลังงานสูง”
ที่สำคัญ DC-OPA ขั้นสูงทำงานได้ในช่วงความยาวคลื่นที่กว้างมาก ทากาฮาชิและซูสามารถขยายพัลส์ที่มีความยาวคลื่นต่างกันมากกว่าสองเท่า “วิธีการใหม่นี้มีคุณลักษณะการปฏิวัติที่ทำให้แบนด์วิธในการขยายสัญญาณสามารถทำได้กว้างเป็นพิเศษ โดยไม่กระทบต่อคุณลักษณะการปรับขนาดพลังงานเอาท์พุต” ทาคาฮาชิกล่าว
เทคนิคการขยายเสียง
เทคนิคของพวกเขาคือการเปลี่ยนแปลงจากเทคนิคการขยายสัญญาณอีกแบบหนึ่งสำหรับพัลส์แสงที่เรียกว่า "chirped pulse amplification" ซึ่งนักวิจัยสามคนจากสหรัฐอเมริกา ฝรั่งเศส และแคนาดาได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ในปี 2018 มีความเชื่อมโยงที่น่าสนใจระหว่างปี 2018 และรางวัลปี 2023 ในการขยายสัญญาณพัลส์แบบร้องเจี๊ยก ๆ เป็นหนึ่งในเทคนิคที่ช่วยให้สามารถพัฒนาเลเซอร์อัตโตวินาทีได้
ทากาฮาชิคาดหวังว่าเทคนิคของพวกเขาจะพัฒนาการพัฒนาเลเซอร์ระดับ attosecond ต่อไป "เราประสบความสำเร็จในการพัฒนาวิธีการขยายสัญญาณเลเซอร์แบบใหม่ที่สามารถเพิ่มความเข้มของพัลส์เลเซอร์รอบเดียวให้เป็นกำลังสูงสุดระดับเทราวัตต์" เขากล่าว “ไม่ต้องสงสัยเลยว่านี่เป็นการก้าวกระโดดครั้งสำคัญในการพัฒนาเลเซอร์อัตโตวินาทีกำลังสูง”
ในระยะยาว เขามีจุดมุ่งหมายที่จะก้าวไปไกลกว่าเลเซอร์ระดับ attosecond และสร้างพัลส์ที่สั้นลง
“ด้วยการผสมผสานเลเซอร์รอบเดียวเข้ากับเอฟเฟกต์แสงแบบไม่เชิงเส้นที่มีลำดับสูงกว่า จึงอาจเป็นไปได้ที่จะสร้างพัลส์ของแสงที่มีความกว้างเวลาเป็นเซปโตวินาที (หนึ่งเซปโตวินาที = 10-21 ประการที่สอง)” เขากล่าว “เป้าหมายระยะยาวของฉันคือการเคาะประตูของการวิจัยเลเซอร์เซปโตวินาที และเปิดเลเซอร์อัลตร้าช็อตรุ่นต่อไปหลังจากเลเซอร์อัตโตวินาที”