Нова технология комбинира оптични лазери с различни дължини на вълната, за да произвежда ултракъси лазерни импулси

Наскоро група изследователи от подразделението за ускорителна технология и приложна физика (ATAP) на лабораторията на Бъркли обявиха разработването на нова техника, която може да комбинира влакнести лазери с различни дължини на вълната, за да произвежда ултракъси лазерни импулси.
Тази работа може да ускори развитието на педали за лазерен плазмен газ (LPA), които имат потенциала да прокарат границите на физиката на високите енергии и да позволят открития в науката за материалите, изследванията на термоядрения синтез и много други области.
Педалите за лазерен плазмен газ (LPA) използват интензивни импулси от ултрабърза лазерна светлина за ускоряване на заредени частици през плазма със скорости до 1,000 пъти по-бързи от настоящата технология, което позволява създаването на машини, които са по-компактни и мощни от конвенционални педали за газ и по-евтини за изграждане и експлоатация.
Понастоящем повечето педали с лазерен плазмен газ (LPA) използват лазерни импулси с честоти на повторение само няколко херца (Hz). Въпреки това, реализирането на пълния потенциал на LPAs изисква лазерни системи с висока мощност, способни да генерират ултракъси, високоенергийни лазерни импулси при честоти на повторение от kHz или по-високи.
Тези ограничения поставят много високи изисквания към лазерните системи, които генерират такива импулси. В резултат на това изследователката се насочи към оптични лазери, които според нея са „далеч от най-ефективната лазерна технология с висока мощност и също така имат широко индустриално развитие, което може да се използва в нашата работа“.
Докато енергията и мощността на импулсите, генерирани от влакнести лазери, могат да бъдат усилени чрез комбиниране на множество импулси в пространството и времето, тези импулси понастоящем са ограничени до около 100 фемтосекунди (fs), което не е достатъчно за задвижване на лазерни педали за плазмен газ (LPA).
Учените-изследователи от Центъра BELLA, част от ATAP, обясняват: „Докато фибролазерните системи осигуряват най-високата електро-оптична енергийна ефективност – спектърът на ултракъсите лазерни импулси, усилени в тези системи, се стеснява.“
"Когато лазерните импулси се усилват по този начин, стесняването на усилването е основен ефект; колкото по-тесен е спектърът на импулса, толкова по-голяма е продължителността му. В резултат на това е много предизвикателство за високомощните фибролазери да генерират импулси, по-къси от 100 секунди."
Въпреки това, чрез спектрално комбиниране на множество лазерни импулси, работещи в съседни диапазони на дължина на вълната, екипът (включително Qiang Du от Engineering и Dan Wang и Russell Wilcox от ATAP) постигна ултра-широк комбиниран спектър, способен да поддържа много кратки импулси от десетки секунди.
За да увеличат честотната лента и да генерират импулси с дължина десетки секунди, изследователите първо са използвали осцилатор със заключен режим и усилвател с влакна с итербий (YDFA), за да генерират 120-втори импулси при честота на повторение от 100 MHz. Те бяха изпратени във фотонно кристално влакно и спектърът на тези лазерни импулси се разшири от 27 нанометра (nm) до 90 nm.
След това те използваха дихроично огледало, което позволява лазерните импулси да бъдат разделени или комбинирани без значителна загуба на интензитет, като по този начин разделят импулсите спектрално. След това те бяха изпратени до два устройства за формиране на импулси, за да оформят интензитета и фазата на съответните импулсни спектри. Когато отразените импулси се изпращат към първия формовчик, излъчваните импулси се усилват от YDFA, импулсите се формират от втория формовчик и допълнително се разделят от друго дихроично огледало. След това трите чирпирани импулса от оптичния лазер се усилват и рекомбинират с помощта на допълнителни дихроични огледала.
Този ултрашироколентов спектър, комбиниран със синтетично оформяне на импулси, произвежда импулси с продължителност само 42 секунди, което е много по-кратко от импулсите, произведени от трите влакнести канала. Според екипа това е най-кратката продължителност на импулсния лазер, получена от спектрално комбинирана лазерна система с итербиеви влакна.
Въпреки че досега тази работа демонстрира свръхбързи импулси при ниски енергии, тя показва ключовите принципи на ултрашироколентовото спектрално комбиниране и оформянето на импулси на кохерентен спектрален синтез и осигурява пробив в използването на влакнести лазери за задвижване на лазерни педали за плазмен газ (LPA). В бъдеще екипът планира да добави още етапи на усилване и да приложи многоизмерни техники, способни да комбинират оптични лазери пространствено, времево и спектрално, за да генерират десетки секунди високоенергийни лазерни импулси.