Các xung ánh sáng laser cực ngắn có công suất cực đại 6 terawatt (6 nghìn tỷ watt)—gần tương đương với năng lượng được tạo ra bởi 6,000 nhà máy điện hạt nhân—đã được hai nhà vật lý RIKEN hiện thực hóa. Thành tựu này sẽ giúp phát triển hơn nữa laser atto giây, nhờ đó ba nhà nghiên cứu đã được trao giải Nobel Vật lý năm 2023. Công trình được công bố trên tạp chí Thiên nhiên Photonics.
Tương tự như cách đèn flash của máy ảnh có thể “đóng băng” các vật thể chuyển động nhanh, khiến chúng trông như thể đang đứng yên trong ảnh, các xung laser cực ngắn có thể giúp chiếu sáng các quá trình cực nhanh, cung cấp cho các nhà khoa học một phương pháp mạnh mẽ để chụp ảnh và thăm dò chúng. .
Ví dụ, các xung laser có thứ tự atto giây (một atto giây = 10-18 thứ hai) ngắn đến mức chúng có thể tiết lộ chuyển động của các electron trong nguyên tử và phân tử, mang lại một phương pháp mới để khám phá các phản ứng hóa học và sinh hóa phát triển như thế nào. Ngay cả ánh sáng dường như cũng di chuyển với quy mô thời gian ngắn như vậy, mất khoảng 3 atto giây để truyền hết một nanomet.
Eiji Takahashi thuộc Trung tâm Quang tử nâng cao (RAP) của RIKEN cho biết: “Bằng cách ghi lại chuyển động của các electron, laser atto giây đã có đóng góp lớn cho khoa học cơ bản”. “Chúng dự kiến sẽ được sử dụng trong nhiều lĩnh vực, bao gồm quan sát tế bào sinh học, phát triển vật liệu mới và chẩn đoán tình trạng y tế.”
Sức mạnh và cú đấm
Nhưng mặc dù có thể tạo ra các xung laser cực ngắn nhưng chúng thiếu lực mạnh và có năng lượng thấp. Việc tạo ra các xung laser vừa cực ngắn vừa có năng lượng cao sẽ mở rộng đáng kể các ứng dụng có thể có của chúng. Takahashi cho biết: “Năng lượng đầu ra hiện tại của laser atto giây là cực kỳ thấp. “Vì vậy, điều quan trọng là phải tăng năng lượng đầu ra nếu chúng được sử dụng làm nguồn sáng trong nhiều lĩnh vực.”
Giống như các bộ khuếch đại âm thanh được sử dụng để tăng cường tín hiệu âm thanh, các nhà vật lý laser sử dụng các bộ khuếch đại quang học để tăng năng lượng của các xung laser. Những bộ khuếch đại này thường sử dụng các tinh thể phi tuyến thể hiện phản ứng đặc biệt với ánh sáng. Nhưng những tinh thể này có thể bị hư hỏng không thể sửa chữa được nếu chúng được sử dụng để khuếch đại các xung laser chu kỳ đơn, vốn ngắn đến mức xung kết thúc trước khi ánh sáng có thể dao động qua một chu kỳ bước sóng đầy đủ.
Takahashi giải thích: “Nút thắt lớn nhất trong việc phát triển các nguồn laser hồng ngoại cực nhanh, tràn đầy năng lượng là thiếu một phương pháp hiệu quả để khuếch đại trực tiếp các xung laser chu kỳ đơn”. “Nút thắt cổ chai này đã tạo ra rào cản một milijoule đối với năng lượng của các xung laser chu kỳ đơn.”
Một kỷ lục mới
Giờ đây, Takahashi và đồng nghiệp RAP, Lu Xu, không chỉ vượt qua rào cản này mà còn vượt qua nó. Họ đã khuếch đại các xung đơn chu kỳ lên hơn 50 milijoule – gấp hơn 50 lần so với nỗ lực tốt nhất trước đó. Bởi vì các xung laser thu được rất ngắn nên năng lượng này chuyển thành công suất cực kỳ cao, vài terawatt.
Takahashi cho biết: “Chúng tôi đã chứng minh cách khắc phục nút cổ chai bằng cách thiết lập một phương pháp hiệu quả để khuếch đại xung laser chu kỳ đơn”.
Phương pháp của họ, được gọi là khuếch đại tham số quang học hai chirped tiên tiến (DC-OPA), đơn giản một cách đáng ngạc nhiên, chỉ sử dụng hai tinh thể, khuếch đại các vùng bổ sung của quang phổ.
Takahashi cho biết: “DC-OPA tiên tiến để khuếch đại xung laser chu kỳ đơn rất đơn giản, chỉ dựa trên sự kết hợp của hai loại tinh thể phi tuyến – nó giống như một ý tưởng mà bất cứ ai cũng có thể nghĩ ra”. “Tôi rất ngạc nhiên khi một khái niệm đơn giản như vậy lại mang đến một khả năng khuếch đại mới công nghệ và tạo ra bước đột phá trong việc phát triển tia laser cực nhanh năng lượng cao.”
Điều quan trọng là DC-OPA tiên tiến hoạt động trên phạm vi bước sóng rất rộng. Takahashi và Xu đã có thể khuếch đại các xung có bước sóng khác nhau hơn hai lần. Takahashi cho biết: “Phương pháp mới này có tính năng mang tính cách mạng là băng thông khuếch đại có thể được tạo ra ở mức siêu rộng mà không ảnh hưởng đến các đặc tính mở rộng năng lượng đầu ra”.
Kỹ thuật khuếch đại
Kỹ thuật của họ là một biến thể của một kỹ thuật khuếch đại xung quang khác, được gọi là “khuếch đại xung chirped”, nhờ đó ba nhà nghiên cứu đến từ Hoa Kỳ, Pháp và Canada đã được trao giải Nobel Vật lý năm 2018. Có một mối liên hệ thú vị giữa năm 2018 và giải thưởng năm 2023 về khuếch đại xung chirped là một trong những kỹ thuật cho phép phát triển tia laser atto giây.
Takahashi dự đoán rằng kỹ thuật của họ sẽ thúc đẩy hơn nữa sự phát triển của laser atto giây. “Chúng tôi đã thành công trong việc phát triển một phương pháp khuếch đại laser mới có thể tăng cường độ của các xung laser chu kỳ đơn lên công suất cực đại loại terawatt,” ông nói. “Chắc chắn đây là một bước nhảy vọt lớn trong việc phát triển các tia laser atto giây công suất cao.”
Về lâu dài, anh đặt mục tiêu vượt xa các tia laser atto giây và tạo ra các xung thậm chí còn ngắn hơn.
“Bằng cách kết hợp các tia laser chu kỳ đơn với các hiệu ứng quang học phi tuyến bậc cao hơn, có thể tạo ra các xung ánh sáng có độ rộng thời gian là zepto giây (một zepto giây = 10-21 thứ hai),” anh nói. “Mục tiêu dài hạn của tôi là gõ cửa nghiên cứu laser zepto giây và mở ra thế hệ laser siêu ngắn tiếp theo sau laser atto giây.”