En ny guide til ekstremt kraftige lysimpulser

Den første demonstration af laseren i 1960 blev hurtigt efterfulgt af fødslen af ​​et nyt forskningsfelt:ikke-lineær optik. De unikke kohærensegenskaber ved stimuleret emission, den grundlæggende fysiske proces af laserstråling, har muliggjort intensiteter, der overstiger usammenhængende kilders i mange størrelsesordener. De høje intensiteter driver elektroner så stærkt, at de svinger med frekvenser, der er forskellige fra drivlysfeltets. Den efterfølgende dipolemission kan være ekstremt farverig. Optiske fibre eller laserfilamenter er blevet brugt som bølgeledere i årtier for at maksimere denne effekt og generere ekstremt bredbåndslysimpulser.

Men hvis laserimpulserne bærer for meget energi, lider fiber af skade og lysfilamenter bryder op, således at laserstrålingens unikke rumlige egenskaber går tabt. Forskere fra det tyske Electron-Synchrotron DESY i Hamborg, Tyskland, og Helmholtz-Institute Jena, Tyskland har nu rapporteret om en ny metode til at lede lys på en energi-skalerbar måde. Vejledningen opnås ved brug af to genfokuserende spejle og den omhyggelige afstand mellem tynde ikke-lineære glasvinduer.

Forskerne har rapporteret i en nylig publikation i Ultrafast Science at lysimpulser vinder mere end 30 gange deres oprindelige båndbredde i en sådan opsætning og kan følgelig komprimeres med samme faktor. Dette forkorter deres varighed og øger deres spidseffekt betydeligt. Det er bemærkelsesværdigt, at disse eksperimenter blev udført med laserimpulser, der overskrider spidseffektgrænsen i glasfibre med en faktor på 40. På trods af udbredelse gennem omkring 40 cm glas i alt, forblev strålekvaliteten og pulsenergien høj. "Vi har elegant kombineret to nyere tilgange til at udvide båndbredden af ​​ultrakorte pulser. Ikke desto mindre er den optiske opsætning virkelig enkel. Al optik, vi brugte i vores spektrale udvidelsesskema, var lagervarer. Dette og de fremragende støjegenskaber gør vores tilgang bredt anvendelig, " siger Dr. Marcus Seidel, hovedforfatter af publikationen.

Dr. Christoph Heyl, junior gruppeleder ved DESY og Helmholtz Instituttet Jena, tilføjer, at "der er en klar tendens i ultrahurtig laserteknologi i retning af høje gennemsnitlige strømkilder, som ofte kun kan levere pulser med varigheder på picosekundniveau. Vores metode præsenterer en energi -, størrelses- og omkostningseffektiv tilgang til at omdanne disse lasere til pulserende kilder med kun titusinder af femtosekunders varighed med gigawatt spidseffekt."

Femtosekund-regimet er tidsskalaen for molekylær bevægelse, som kan spores og manipuleres med ultrakorte pulser. Desuden er femtosekundpulser for hurtige til at tillade varmedannelse efter ionisering. Dette er bredt udnyttet i lasermaterialebehandling. Pulskompressionsmetoden har allerede været brugt på DESYs gratis elektronlaserfacilitet FLASH i flere måneder. Det har gjort det muligt for forskere at tage præcise øjebliksbilleder af molekylær dynamik i nye kvantematerialer.

"Vores facilitetsbrugere har været meget glade for det," siger Dr. Seidel og ser fremad:"Vi ville naturligvis være glade, hvis denne teknologi muliggør banebrydende videnskabelige eksperimenter på DESY og mange andre institutter rundt om i verden."

Dr. Heyls team har for nylig offentliggjort simuleringer, der viser udvidelsen af ​​den demonstrerede tilgang til terawatt-spidseffekter og pulsenergier på joule-niveau. Implementering af et sådant energiopskaleret eksperiment vil åbne døren til helt nye applikationer.

"Spektral udvidelse og pulskompression er blevet identificeret som nøglemetoderne til at fremme stærkfeltsfysik af 2018 Nobelpristageren Gérard Mourou," siger Dr. Heyl. "Med den nye teknologi kan hans forudsigelse tage form. Vi er allerede ved at opsætte en første kompakt multi-pass celle-baseret partikelaccelerator i vores laboratorier. Vi forventer, at konceptet også får indflydelse på fremtidens strålebehandling og muligvis endda laser- baseret fusion." + Udforsk yderligere

Højflux 100 kHz attosekunds pulskilde drevet af en ringformet laserstråle med høj gennemsnitlig effekt