שני פיזיקאים ב-RIKEN הבינו פולסי לייזר קצרים במיוחד עם הספק שיא של 6 טרה-וואט (6 טריליון וואט) - שווה ערך בערך להספק המופק מ-6,000 תחנות כוח גרעיניות. ההישג, שיתרום להמשך הפיתוח של לייזרים אטושניות, זיכה את שלושת החוקרים בפרס נובל לפיזיקה לשנת 2023. המחקר פורסם בכתב העת Nature Photonics.
בדיוק כפי שפלאש של מצלמה יכול "להקפיא" עצמים הנעים במהירות כדי לגרום להם להיראות כאילו הם עומדים במקום בתצלום, פולסי לייזר קצרים מאוד יכולים לעזור להאיר תהליכים מהירים במיוחד, מה שמעניק למדענים דרך רבת עוצמה לצלם ולזהות אותם.
לדוגמה, פעימות לייזר בסדר גודל של אטושניות (1 attosecond=10-18 שניות) כה קצרות עד שהם יכולים לחשוף את תנועת האלקטרונים באטומים ובמולקולות, מה שמספק דרך חדשה לגלות את התפתחותן של תגובות כימיות וביוכימיות. נראה שאפילו האור מסוגל לזחול בסקאלות זמן קצרות כל כך, שלוקח בערך 3 arsec לעבור דרך ננומטר.
"על ידי לכידת התנועה של אלקטרונים, לייזרים אטושניות תורמים תרומה משמעותית למדע הבסיסי", אמר אייג'י טקהאשי מהמרכז לפוטוניקה מתקדמת של RIKEN (RAP), "וצפויים להיות להם יישומים במגוון רחב של תחומים, כולל תצפית של תאים ביולוגיים, פיתוח חומרים חדשים ואבחון מצבים רפואיים".
יותר משפיע
עם זאת, בעוד שניתן ליצור פולסי לייזר קצרים במיוחד, הם חסרי השפעה ויש להם אנרגיה נמוכה. יצירת פולסי לייזר קצרים במיוחד, בעלי אנרגיה גבוהה, תרחיב מאוד את השימושים האפשריים שלהם, אומר אייג'י טקהאשי: "אנרגיית הפלט הנוכחית של לייזרים אטושניות נמוכה ביותר. לכן, הגדלת אנרגיית הפלט שלהם היא חיונית אם הם מיועדים לשמש כמקורות אור ב מגוון רחב של תחומים".
בדיוק כפי שמגברי שמע משמשים לשיפור אותות קול, פיזיקאים בלייזר משתמשים במגברים אופטיים כדי להגביר את האנרגיה של פולסי לייזר. מגברים אלה משתמשים בדרך כלל בקריסטלים לא ליניאריים המגיבים במיוחד לאור. עם זאת, אם הגבישים האלה משמשים להגברת פעימות לייזר חד-מחזוריות, הם עלולים להינזק באופן בלתי הפיך. פעימות לייזר חד-מחזוריות כה קצרות עד שהפולס מסתיים לפני שהאור התנודד במחזור של אורך גל מלא.
צוואר הבקבוק הגדול ביותר בפיתוח של מקורות לייזר אינפרא אדום מהיר במיוחד באנרגיה גבוהה הוא היעדר שיטה יעילה להגברה ישירה של פעימות לייזר חד-מחזוריות", אמר אייג'י טקהאשי. צוואר בקבוק זה גורם למחסום של 1-מיליאול ליחיד. מחזור אנרגית דופק לייזר."
קביעת שיא חדש
עם זאת, צוואר בקבוק זה נשבר כעת. הם הגבירו פולסים חד-מחזוריים ליותר מ-50 מיליג'אול, יותר מפי 50 מהתוצאה הטובה ביותר הקודמת. מכיוון שפולסי הלייזר המתקבלים כה קצרים, האנרגיה הזו מתורגמת להספק גבוה להפליא של כמה טרה-וואט.
טקהאשי אמר, "הדגמנו כיצד להתגבר על צוואר הבקבוק על ידי הקמת שיטה יעילה להגברת פעימות לייזר חד-מחזוריות."
השיטה שלהם, הנקראת מתקדם כפול ציוץ אופטי פרמטרי הגברה (DC-OPA), פשוטה מאוד וכוללת רק שני גבישים שמגבירים אזורים משלימים של הספקטרום.
Takahashi אמר, "DC-OPA מתקדם להגברת פעימות לייזר חד-מחזוריות הוא כל כך פשוט שהוא פשוט מבוסס על שילוב של שני גבישים לא ליניאריים - זה מרגיש כמו רעיון שכל אחד יכול להעלות. זה מדהים אותי שקונספט כל כך פשוט מספק טכניקת הגברה חדשה ופריצת דרך בפיתוח לייזרים אולטרה מהירים בעלי אנרגיה גבוהה".
חשוב לציין, ה-DC-OPA המתקדם פועל על פני טווח רחב מאוד של אורכי גל. הצוות הצליח להגביר פולסים עם הפרש אורך גל של יותר מפי שניים מאורך הגל. טאקאהאשי אמר, "לשיטה חדשה זו יש את התכונה המהפכנית שרוחב הפס ההגברה מאפשר פלט תדר רחב במיוחד מבלי להשפיע על מאפייני קנה המידה של אנרגיית המוצא."
טכניקת הגברה חדשה
הטכניקה שלהם היא גרסה לטכניקת הגברה אופטית אחרת הנקראת "הגברת דופק ציוץ", שבגינה זכו שלושה חוקרים מארה"ב, צרפת וקנדה בפרס נובל לפיזיקה לשנת 2018. לייזר היא אחת הטכנולוגיות המניעות את הפיתוח של לייזרים.
Takahashi מצפה שהטכנולוגיה שלהם תקדם עוד יותר את הפיתוח של לייזרים attosecond: "פיתחנו בהצלחה שיטת הגברה לייזר חדשה שיכולה להגביר את העוצמה של פולסי לייזר חד-מחזוריים לשיא הספק טרוואט", אמר, "ואין ספק. שזהו קפיצת מדרגה גדולה בפיתוח לייזרים אטושניות בעלי הספק גבוה".
בטווח הארוך, המטרה שלו היא ללכת מעבר ללייזר attosecond וליצור פולסים קצרים עוד יותר.
