Attosecond billeddannelse muliggjort af korte og kraftige laserimpulser

Ekstremt korte pulser af laserlys med en spidseffekt på 6 terawatt (6 billioner watt) - omtrent svarende til den effekt, der produceres af 6.000 atomkraftværker - er blevet realiseret af to RIKEN-fysikere. Denne præstation vil hjælpe med at videreudvikle attosecond-lasere, for hvilke tre forskere blev tildelt Nobelprisen i fysik i 2023. Værket er publiceret i tidsskriftet Nature Photonics .

På samme måde som en kameraflash kan "fryse" objekter, der bevæger sig hurtigt, og få dem til at se ud som om de står stille på billeder, kan ekstremt korte laserimpulser hjælpe med at oplyse ultrahurtige processer, hvilket giver videnskabsfolk en effektiv måde at afbilde og undersøge dem på .

For eksempel laserimpulser af størrelsesordenen attosekunder (et attosekund =10 ^–18 sekund) er så korte, at de kan afsløre elektronernes bevægelse i atomer og molekyler, hvilket giver en ny måde at opdage, hvordan kemiske og biokemiske reaktioner udvikler sig. Selv lys ser ud til at kravle på så korte tidsskalaer, det tager omkring 3 attosekunder at krydse en enkelt nanometer.

"Ved at gøre det muligt at fange elektronernes bevægelse, har attosekundlasere ydet et stort bidrag til grundlæggende videnskab," siger Eiji Takahashi fra RIKEN Center for Advanced Photonics (RAP). "De forventes at blive brugt inden for en lang række områder, herunder observation af biologiske celler, udvikling af nye materialer og diagnosticering af medicinske tilstande."

Power og punch

Men selvom det er muligt at skabe ultrakorte laserimpulser, mangler de meget punch, idet de har lave energier. At skabe laserimpulser, der både er ultrakorte og har høje energier, ville i høj grad udvide deres mulige anvendelser. "Den aktuelle udgangsenergi fra attosecond-lasere er ekstremt lav," siger Takahashi. "Så det er vigtigt at øge deres udgangsenergi, hvis de skal bruges som lyskilder inden for en lang række områder."

Ligesom lydforstærkere bruges til at booste lydsignaler, bruger laserfysikere optiske forstærkere til at øge energien af ​​laserimpulser. Disse forstærkere anvender normalt ikke-lineære krystaller, der udviser specielle reaktioner på lys. Men disse krystaller kan blive uopretteligt beskadiget, hvis de bruges til at forstærke enkelt-cyklus laserpulser, som er så korte, at pulsen afsluttes, før lyset kan oscillere gennem en fuld bølgelængdecyklus.

"Den største flaskehals i udviklingen af ​​energiske, ultrahurtige infrarøde laserkilder har været manglen på en effektiv metode til direkte at forstærke enkelt-cyklus laserimpulser," forklarer Takahashi. "Denne flaskehals har resulteret i en barriere på én millijoule for energien fra enkeltcyklus-laserimpulser."

En ny rekord

Nu har Takahashi og RAP-kollegaen, Lu Xu, ikke bare overskredet denne barriere, de har smadret gennem den. De har forstærket enkelt-cyklus-impulser til mere end 50 millijoule - mere end 50 gange den tidligere bedste indsats. Fordi de resulterende laserimpulser er så korte, omsættes denne energi til utroligt høje kræfter på adskillige terawatt.

"Vi har demonstreret, hvordan man kan overvinde flaskehalsen ved at etablere en effektiv metode til at forstærke en enkelt-cyklus laserpuls," siger Takahashi.

Deres metode, kaldet avanceret dual-chirped optisk parametrisk forstærkning (DC-OPA), er overraskende enkel og involverer kun to krystaller, som forstærker komplementære områder af spektret.

"Avanceret DC-OPA til forstærkning af en enkelt-cyklus laserpuls er meget enkel, idet den kun er baseret på en kombination af to slags ikke-lineære krystaller - det føles som en idé, som enhver kunne have fundet på," siger Takahashi. "Jeg var overrasket over, at et så simpelt koncept gav en ny forstærkningsteknologi og forårsagede et gennembrud i udviklingen af ​​ultrahurtige lasere med høj energi."

Det er vigtigt, at avanceret DC-OPA fungerer over et meget bredt bølgelængdeområde. Takahashi og Xu var i stand til at forstærke impulser, hvis bølgelængder afveg mere end en faktor på to. "Denne nye metode har den revolutionerende egenskab, at forstærkningsbåndbredden kan gøres ultrabred uden at kompromittere udgangsenergiskaleringsegenskaberne," siger Takahashi.

Forstærkningsteknik

Deres teknik er en variation af en anden forstærkningsteknik til optiske pulser, kaldet "chirped pulse amplification", som tre forskere fra USA, Frankrig og Canada blev tildelt Nobelprisen i fysik for i 2018. Der er en interessant sammenhæng mellem 2018 og 2023-præmier i, at chirped puls amplification var en af ​​de teknikker, der muliggjorde udviklingen af ​​attosecond-lasere.

Takahashi forventer, at deres teknik vil fremme udviklingen af ​​attosecond-lasere yderligere. "Det er lykkedes os at udvikle en ny laserforstærkningsmetode, der kan øge intensiteten af ​​enkelt-cyklus laserimpulser til terawatt-klassens spidseffekt," siger han. "Det er utvivlsomt et stort spring fremad i udviklingen af ​​atosekundlasere med høj effekt."

På længere sigt har han tænkt sig at gå videre end attosecond-lasere og skabe endnu kortere pulser.

"Ved at kombinere enkelt-cyklus lasere med højere ordens ikke-lineære optiske effekter, kunne det meget vel være muligt at generere lysimpulser med en tidsbredde på zeptosekunder (et zeptosesekund =10 ^–21 sekund)," siger han. "Mit langsigtede mål er at banke på døren til forskning i zeptosekund-laser og åbne op for næste generation af ultrakorte lasere efter attosekund-lasere."

Flere oplysninger: Lu Xu et al., Dual-chirped optisk parametrisk forstærkning af højenergi-enkeltcyklus laserimpulser, Nature Photonics (2023). DOI:10.1038/s41566-023-01331-9

Journaloplysninger: Naturfotonik

Leveret af RIKEN