Nova tehnologija kombinira vlaknaste lasere različitih valnih duljina za proizvodnju ultrakratkih laserskih impulsa

Nedavno je skupina istraživača iz Berkeley Laba, odjela za akceleratorsku tehnologiju i primijenjenu fiziku (ATAP), najavila razvoj nove tehnike koja može kombinirati vlaknaste lasere različitih valnih duljina za proizvodnju ultrakratkih laserskih impulsa.
Ovaj bi rad mogao unaprijediti razvoj laserskih plazma plinskih pedala (LPA), koje imaju potencijal pomaknuti granice fizike visokih energija i omogućiti otkrića u znanosti o materijalima, istraživanju fuzije i mnogim drugim područjima.
Laserske plazma plinske pedale (LPA) koriste intenzivne impulse ultrabrze laserske svjetlosti za ubrzavanje nabijenih čestica kroz plazmu brzinama do 1,000 puta bržima od trenutne tehnologije, omogućujući stvaranje strojeva koji su kompaktniji i snažniji od konvencionalne papučice za gas i jeftiniji za izradu i rad.
Trenutačno većina laserskih plazma plinskih pedala (LPA) koristi laserske impulse s frekvencijama ponavljanja od samo nekoliko herca (Hz). Međutim, ostvarenje punog potencijala LPA zahtijeva laserske sustave velike snage koji mogu generirati ultrakratke, visokoenergetske laserske impulse na frekvencijama ponavljanja od kHz ili višim.
Ta ograničenja postavljaju vrlo zahtjevne zahtjeve za laserske sustave koji generiraju takve impulse. Kao rezultat toga, istraživačica se okrenula fiber laserima, za koje kaže da su "daleko najučinkovitija laserska tehnologija velike snage i također imaju opsežan industrijski razvoj koji se može iskoristiti u našem radu."
Iako se energija i snaga impulsa koje generiraju laseri s vlaknima mogu pojačati kombiniranjem višestrukih impulsa u prostoru i vremenu, ti su impulsi trenutno ograničeni na oko 100 femtosekundi (fs), što nije dovoljno za pokretanje laserskih plazma plinskih pedala (LPA).
Znanstvenici istraživači u BELLA Centru, dijelu ATAP-a, objašnjavaju: "Dok optički laserski sustavi pružaju najveću elektro-optičku učinkovitost - spektar ultrakratkih laserskih impulsa pojačanih u ovim sustavima se sužava."
"Kada se laserski impulsi pojačavaju na ovaj način, sužavanje pojačanja je temeljni učinak; što je uži spektar impulsa, to je dulje trajanje. Kao rezultat toga, vlaknastim laserima velike snage vrlo je teško generirati impulse kraće od 100 sekundi."
Međutim, spektralnim kombiniranjem višestrukih laserskih impulsa koji djeluju u susjednim rasponima valnih duljina, tim (uključujući Qianga Dua iz inženjeringa i Dana Wanga i Russella Wilcoxa iz ATAP-a) postigao je ultraširoki kombinirani spektar koji može podržati vrlo kratke impulse od nekoliko desetaka sekundi.
Kako bi povećali širinu pojasa i generirali impulse duge desetke sekundi, istraživači su prvo upotrijebili oscilator s zaključanim modom i vlaknasto pojačalo dopirano iterbijem (YDFA) za generiranje 120-sekundnih impulsa pri brzini ponavljanja od 100 MHz. Poslani su u fotonsko kristalno vlakno, a spektar tih laserskih impulsa proširio se s 27 nanometara (nm) na 90 nm.
Zatim su koristili dikroično zrcalo, koje omogućuje razdvajanje ili kombiniranje laserskih impulsa bez značajnog gubitka intenziteta, čime se pulsevi spektralno dijele. Zatim su poslani u dva uređaja za oblikovanje impulsa kako bi oblikovali intenzitet i fazu odgovarajućeg spektra pulsa. Kada se reflektirani impulsi šalju u prvi oblikovatelj, emitirane impulse pojačava YDFA, impulse formira drugi oblikovatelj, a dalje ih dijeli drugo dikroično zrcalo. Tri cvrkutasta pulsa iz fiber lasera zatim se pojačavaju i rekombiniraju pomoću dodatnih dikroičnih zrcala.
Ovaj ultraširokopojasni spektar u kombinaciji sa sintetičkim oblikovanjem impulsa proizvodi impulse u trajanju od samo 42 sekunde, što je mnogo kraće od impulsa koje proizvode tri vlaknasta kanala. Prema timu, ovo je najkraće trajanje pulsnog lasera dobivenog od spektralno kombiniranog laserskog sustava s iterbijevim vlaknima.
Iako je ovaj rad do sada pokazao ultrabrze impulse pri niskim energijama, on pokazuje ključne principe ultraširokopojasnog spektralnog kombiniranja i oblikovanja impulsa koherentne spektralne sinteze, te pruža proboj u korištenju vlaknastih lasera za pokretanje laserskih plazma plinskih pedala (LPA). U budućnosti, tim planira dodati više stupnjeva pojačanja i implementirati višedimenzionalne tehnike sposobne kombinirati vlaknaste lasere prostorno, vremenski i spektralno za generiranje desetaka sekundi visokoenergetskih laserskih impulsa.