De eerste demonstratie van de laser in 1960 werd snel gevolgd door de geboorte van een nieuw onderzoeksgebied:niet-lineaire optica. De unieke coherentie-eigenschappen van gestimuleerde emissie, het fundamentele fysieke proces van laserstraling, hebben intensiteiten mogelijk gemaakt die die van onsamenhangende bronnen vele ordes van grootte overtreffen. De hoge intensiteiten drijven elektronen zo sterk aan dat ze oscilleren met frequenties die verschillen van die van het aansturende lichtveld. De daaropvolgende dipoolemissie kan zeer kleurrijk zijn. Om dit effect te maximaliseren en om extreem breedbandige lichtpulsen te genereren, worden al tientallen jaren optische vezels of laserfilamenten gebruikt als golfgeleiders.

Als de laserpulsen echter te veel energie dragen, wordt de vezel beschadigd en breken lichtfilamenten af, waardoor de unieke ruimtelijke eigenschappen van laserstraling verloren gaan. Onderzoekers van het Duitse Electron-Synchrotron DESY in Hamburg, Duitsland, en het Helmholtz-Instituut Jena, Duitsland hebben nu een nieuwe methode gerapporteerd om licht op een energieschaalbare manier te geleiden. De geleiding wordt bereikt door het gebruik van twee spiegels die opnieuw scherpstellen en de zorgvuldige afstand tussen dunne niet-lineaire glazen vensters.

De wetenschappers hebben gerapporteerd in een recente publicatie in Ultrafast Science dat lichtpulsen in een dergelijke opstelling meer dan 30 keer hun oorspronkelijke bandbreedte krijgen en bijgevolg met dezelfde factor kunnen worden gecomprimeerd. Dit verkort hun duur en verhoogt aanzienlijk hun piekvermogen. Opmerkelijk is dat deze experimenten werden uitgevoerd met laserpulsen die de piekvermogenslimiet in glasvezels met een factor 40 overschrijden. Ondanks de voortplanting door in totaal ongeveer 40 cm glas, bleven de bundelkwaliteit en pulsenergie echter hoog. "We hebben op elegante wijze twee recente benaderingen gecombineerd om de bandbreedte van ultrakorte pulsen te vergroten. Desalniettemin is de optische opstelling heel eenvoudig. Alle optieken die we in ons spectrale verbredingsschema hebben gebruikt, waren voorraadartikelen. Dit en de uitstekende ruiseigenschappen maken onze aanpak breed toepasbaar, " zegt Dr. Marcus Seidel, hoofdauteur van de publicatie.

Dr. Christoph Heyl, junior groepsleider bij DESY en het Helmholtz Institute Jena, voegt toe dat "er een duidelijke trend is in ultrasnelle lasertechnologie naar hooggemiddelde stroombronnen die vaak alleen pulsen kunnen leveren met een duur van picosecondeniveau. Onze methode geeft een energie -, grootte- en kostenefficiënte benadering om deze lasers om te zetten in gepulseerde bronnen met een duur van slechts tientallen femtoseconden met een piekvermogen van gigawatt."

Het femtoseconde-regime is de tijdschaal van moleculaire beweging die kan worden gevolgd en gemanipuleerd met ultrakorte pulsen. Bovendien zijn femtosecondepulsen te snel om warmteontwikkeling na ionisatie mogelijk te maken. Dit wordt veel gebruikt bij de verwerking van lasermateriaal. De pulscompressiemethode wordt al enkele maanden gebruikt in DESY's vrije-elektronenlaserfaciliteit FLASH. Het heeft wetenschappers in staat gesteld om nauwkeurige momentopnamen te maken van moleculaire dynamica in nieuwe kwantummaterialen.

"Onze faciliteitsgebruikers zijn er erg blij mee", zegt Dr. Seidel en kijkt vooruit:"We zouden natuurlijk heel blij zijn als deze technologie geavanceerde wetenschappelijke experimenten mogelijk maakt bij DESY en vele andere instituten over de hele wereld."

Het team van Dr. Heyl heeft onlangs simulaties gepubliceerd die de uitbreiding laten zien van de gedemonstreerde benadering van terawattpiekvermogens en pulsenergieën op joule-niveau. Het implementeren van een dergelijk energie-opgeschaald experiment zal de deur openen naar geheel nieuwe toepassingen.

"Spectrale verbreding en pulscompressie zijn door Nobelprijswinnaar Gérard Mourou van 2018 geïdentificeerd als de belangrijkste methoden voor het bevorderen van sterke-veldfysica", zegt Dr. Heyl. "Met de nieuwe technologie kan zijn voorspelling vorm krijgen. We zijn al bezig met het opzetten van een eerste compacte multi-pass celgebaseerde deeltjesversneller in onze laboratoria. We verwachten dat het concept ook een impact zal hebben op toekomstige bestralingstherapie en mogelijk zelfs laser- gebaseerde fusie." + Verder verkennen

Hoge flux 100 kHz attoseconde pulsbron aangedreven door een ringvormige laserstraal met hoog gemiddeld vermogen