Надзвичайно короткі імпульси лазерного світла з піковою потужністю 6 терават (6 трильйонів ват) — приблизно еквівалентно потужності, виробленій 6000 атомними електростанціями — були реалізовані двома фізиками RIKEN. Це досягнення допоможе в подальшому розвитку аттосекундних лазерів, за які троє дослідників отримали Нобелівську премію з фізики у 2023 році. Робота опублікована в журналі Nature Photonics.

Подібно до того, як спалах камери може «заморозити» об’єкти, що швидко рухаються, створюючи враження, ніби вони стоять нерухомо на фотографіях, надзвичайно короткі лазерні імпульси можуть допомогти освітлити надшвидкі процеси, надаючи вченим потужний спосіб їх зображення та дослідження. .

Наприклад, лазерні імпульси порядку аттосекунд (одна аттосекунда = 10–18 секунд) настільки короткі, що вони можуть виявити рух електронів в атомах і молекулах, даючи новий спосіб дізнатися, як розвиваються хімічні та біохімічні реакції. Здається, що навіть світло повзе за такими короткими часовими масштабами, йому потрібно приблизно 3 аттосекунди, щоб подолати один нанометр.

«Дозволяючи фіксувати рух електронів, аттосекундні лазери зробили великий внесок у фундаментальну науку», — говорить Ейдзі Такахаші з RIKEN Center for Advanced Photonics (RAP). «Очікується, що вони будуть використовуватися в широкому діапазоні областей, включаючи спостереження за біологічними клітинами, розробку нових матеріалів і діагностику захворювань».

Сила та удар

Але в той час, як можливо створити ультракороткі лазерні імпульси, вони не мають великої потужності, оскільки мають низьку енергію. Створення ультракоротких і високоенергетичних лазерних імпульсів значно розширить їх можливості використання. «Поточна вихідна енергія аттосекундних лазерів надзвичайно низька», — каже Такахаші. «Тому життєво важливо збільшити їхню вихідну енергію, якщо вони будуть використовуватися як джерела світла в широкому діапазоні областей».

Так само як аудіопідсилювачі використовуються для посилення звукових сигналів, лазерні фізики використовують оптичні підсилювачі для збільшення енергії лазерних імпульсів. Ці підсилювачі зазвичай використовують нелінійні кристали, які виявляють особливу реакцію на світло. Але ці кристали можуть бути непоправно пошкоджені, якщо їх використовувати для посилення одноциклових лазерних імпульсів, які настільки короткі, що імпульс закінчується до того, як світло зможе коливатися протягом повного циклу довжини хвилі.

«Найбільшим вузьким місцем у розробці енергійних надшвидких інфрачервоних лазерних джерел була відсутність ефективного методу прямого посилення одноциклових лазерних імпульсів», — пояснює Такахаші. «Це вузьке місце призвело до бар’єра в один міліджоуль для енергії одноциклових лазерних імпульсів».

Новий рекорд

Тепер Такахаші та колега з RAP Лу Сю не просто подолали цей бар’єр, вони його пробили. Вони підсилили одноциклові імпульси до понад 50 міліджоулів — більш ніж у 50 разів, ніж попередні найкращі зусилля. Оскільки отримані лазерні імпульси дуже короткі, ця енергія перетворюється на неймовірно високу потужність у кілька терават.

«Ми продемонстрували, як подолати вузьке місце, створивши ефективний метод посилення одноциклового лазерного імпульсу», — каже Такахаші.

Їхній метод, званий удосконаленим оптичним параметричним посиленням з подвійним чирпом (DC-OPA), є напрочуд простим і включає лише два кристали, які підсилюють комплементарні області спектра.

«Удосконалений DC-OPA для посилення однотактного лазерного імпульсу дуже простий, він базується лише на комбінації двох типів нелінійних кристалів — таке враження, що це ідея, яку міг придумати будь-хто», — каже Такахаші. «Я був здивований, що така проста концепція забезпечила нову технологію підсилення та спричинила прорив у розробці високоенергетичних надшвидких лазерів».

Важливо, що вдосконалений DC-OPA працює в дуже широкому діапазоні довжин хвиль. Такахаші та Сюй змогли посилити імпульси, довжини хвиль яких відрізнялися більш ніж у два рази. «Цей новий метод має революційну функцію: смугу посилення можна зробити надширокою без шкоди для характеристик масштабування вихідної енергії», — говорить Такахаші.

Техніка ампліфікації

Їхня техніка є різновидом іншої методики підсилення оптичних імпульсів, яка називається «підсилення чирпованих імпульсів», за яку троє дослідників із США, Франції та Канади отримали Нобелівську премію з фізики у 2018 році. Існує цікавий зв’язок між 2018 роком. і 2023 премії в тому, що підсилення чирп-імпульсу було одним із методів, які дозволили розробити аттосекундні лазери.

Такахаші очікує, що їхня техніка сприятиме подальшому розвитку аттосекундних лазерів. «Нам вдалося розробити новий метод лазерного підсилення, який може збільшити інтенсивність одноциклових лазерних імпульсів до пікової потужності тераватного класу», — говорить він. «Це, безсумнівно, великий крок вперед у розробці потужних аттосекундних лазерів».

У довгостроковій перспективі він має на меті вийти за межі аттосекундних лазерів і створити ще коротші імпульси.

«Поєднуючи однотактові лазери з нелінійними оптичними ефектами вищого порядку, цілком можливо генерувати імпульси світла з часовою шириною зептосекунд (одна зептосекунда = 10–21 секунда)», — каже він. «Моя довгострокова мета — постукати в дослідження зептосекундних лазерів і відкрити нове покоління ультракоротких лазерів після аттосекундних».