Science >> Wetenschap >  >> Fysica

Attoseconde-beeldvorming mogelijk gemaakt door korte en krachtige laserpulsen

Kracht en punch

Maar hoewel het mogelijk is ultrakorte laserpulsen te creëren, missen ze veel kracht en hebben ze lage energie. Het creëren van laserpulsen die zowel ultrakort zijn als hoge energieën zouden de mogelijke toepassingen ervan enorm vergroten. "De huidige uitgangsenergie van attoseconde-lasers is extreem laag", zegt Takahashi. "Het is dus van cruciaal belang om hun output-energie te verhogen als ze gebruikt willen worden als lichtbronnen in een breed scala van velden."

Net zoals audioversterkers worden gebruikt om geluidssignalen te versterken, gebruiken laserfysici optische versterkers om de energie van laserpulsen te vergroten. Deze versterkers maken meestal gebruik van niet-lineaire kristallen die speciale reacties op licht vertonen. Maar deze kristallen kunnen onherstelbaar beschadigd raken als ze worden gebruikt om laserpulsen met één cyclus te versterken. Deze zijn zo kort dat de puls eindigt voordat het licht een volledige golflengtecyclus kan doorlopen.

"Het grootste knelpunt bij de ontwikkeling van energetische, ultrasnelle infraroodlaserbronnen is het ontbreken van een effectieve methode om laserpulsen met één cyclus direct te versterken", legt Takahashi uit. "Dit knelpunt heeft geresulteerd in een barrière van één millioule voor de energie van laserpulsen met één cyclus."

Een nieuw record

Nu hebben Takahashi en RAP-collega Lu Xu deze barrière niet alleen overschreden, ze zijn er ook doorheen gebroken. Ze hebben pulsen van één cyclus versterkt tot meer dan 50 millijoule – meer dan 50 keer de vorige beste poging. Omdat de resulterende laserpulsen zo kort zijn, vertaalt deze energie zich in ongelooflijk hoge vermogens van enkele terawatt.

"We hebben gedemonstreerd hoe we dit knelpunt kunnen overwinnen door een effectieve methode op te zetten voor het versterken van een laserpuls met één cyclus", zegt Takahashi.

Hun methode, genaamd geavanceerde dual-chirped optische parametrische amplificatie (DC-OPA), is verrassend eenvoudig, waarbij slechts twee kristallen betrokken zijn, die complementaire gebieden van het spectrum versterken.

"Geavanceerde DC-OPA voor het versterken van een laserpuls met één cyclus is heel eenvoudig, omdat het gebaseerd is op slechts een combinatie van twee soorten niet-lineaire kristallen. Het voelt als een idee dat iedereen had kunnen bedenken", zegt Takahashi. "Ik was verrast dat zo'n eenvoudig concept een nieuwe versterkingstechnologie opleverde en een doorbraak veroorzaakte in de ontwikkeling van ultrasnelle lasers met hoge energie."

Belangrijk is dat geavanceerde DC-OPA over een zeer breed golflengtebereik werkt. Takahashi en Xu waren in staat pulsen te versterken waarvan de golflengten meer dan een factor twee verschilden. "Deze nieuwe methode heeft het revolutionaire kenmerk dat de versterkingsbandbreedte ultrabreed kan worden gemaakt zonder de schaaleigenschappen van de uitgangsenergie in gevaar te brengen", zegt Takahashi.

Versterkingstechniek

Hun techniek is een variatie op een andere versterkingstechniek voor optische pulsen, genaamd ‘chirped pulse amplification’, waarvoor drie onderzoekers uit de Verenigde Staten, Frankrijk en Canada in 2018 de Nobelprijs voor de Natuurkunde ontvingen. Er is een interessant verband tussen de 2018 en 2023 prijzen in die zin dat getjilpte pulsversterking een van de technieken was die de ontwikkeling van attosecondelasers mogelijk maakte.

Takahashi verwacht dat hun techniek de ontwikkeling van attosecondelasers verder zal bevorderen. "We zijn erin geslaagd een nieuwe laserversterkingsmethode te ontwikkelen die de intensiteit van laserpulsen met één cyclus kan verhogen tot een piekvermogen van terawatt-klasse", zegt hij. "Het is ongetwijfeld een grote sprong voorwaarts in de ontwikkeling van krachtige attosecondelasers."

Op de langere termijn wil hij verder gaan dan attoseconde-lasers en nog kortere pulsen creëren.

"Door lasers met één cyclus te combineren met niet-lineaire optische effecten van hogere orde, zou het heel goed mogelijk kunnen zijn om lichtpulsen te genereren met een tijdsbreedte van zeptoseconden (één zeptoseconde =10 –21 tweede),' zegt hij. 'Mijn langetermijndoel is om aan te kloppen op de deur van zeptoseconde-laseronderzoek en de volgende generatie ultrakorte lasers na attoseconde-lasers te openen.'

Meer informatie: Lu Xu et al., Dual-chirped optische parametrische versterking van hoogenergetische laserpulsen met één cyclus, Nature Photonics (2023). DOI:10.1038/s41566-023-01331-9

Journaalinformatie: Natuurfotonica

Aangeboden door RIKEN




Meer >

Meer >

Hoofdlijnen

  1. Celmodellen voor wetenschapsprojecten
  2. Hoe SARS werkt
  3. Vissen gebruiken doofheidsgen om waterbeweging waar te nemen
  4. Met behulp van nieuwe techniek doen onderzoekers verrassende ontdekkingen over hoe vliegenhersenen reageren op smaken
  5. Hoe Ninja-deeltjes werken
  6. Camponotini-mierensoorten hebben hun eigen verschillende microbiomen
  7. Hoe technologie ons in staat stelt de geheimen van de Amazone-biodiversiteit te onthullen
  8. De Pomodoro-techniek:je kunt elke taak 25 minuten per keer aan
  9. Hoe zijn genen, DNA en chromosomen met elkaar verbonden?

Wetenschap