Noua tehnologie combină lasere cu fibre de diferite lungimi de undă pentru a produce impulsuri laser ultrascurte

Recent, un grup de cercetători de la divizia de Tehnologie și Fizică Aplicată a Acceleratorului Berkeley Lab (ATAP) a anunțat dezvoltarea unei noi tehnici care poate combina lasere cu fibre de diferite lungimi de undă pentru a produce impulsuri laser ultrascurte.
Această activitate ar putea avansa în dezvoltarea pedalelor de gaz cu plasmă cu laser (LPA), care au potențialul de a depăși frontierele fizicii de înaltă energie și de a permite descoperiri în știința materialelor, cercetarea fuziunii și multe alte domenii.
Pedalele cu plasmă cu laser (LPA) utilizează impulsuri intense de lumină laser ultrarapidă pentru a accelera particulele încărcate printr-o plasmă la viteze de până la 1,000 ori mai rapide decât tehnologia actuală, permițând crearea de mașini care sunt mai compacte și mai puternice decât pedale de accelerație convenționale și mai puțin costisitoare de construit și de operat.
În prezent, majoritatea pedalelor de gaz cu plasmă laser (LPA) folosesc impulsuri laser cu frecvențe de repetiție de doar câțiva herți (Hz). Cu toate acestea, realizarea întregului potențial al LPA necesită sisteme laser de mare putere capabile să genereze impulsuri laser ultrascurte și de înaltă energie la frecvențe de repetiție de kHz sau mai mari.
Aceste limitări impun cerințe foarte exigente asupra sistemelor laser care generează astfel de impulsuri. Drept urmare, cercetătorul a apelat la laserele cu fibră, despre care spune că sunt „de departe cea mai eficientă tehnologie laser de mare putere și au, de asemenea, o dezvoltare industrială extinsă care poate fi exploatată în munca noastră”.
În timp ce energia și puterea impulsurilor generate de laserele cu fibră pot fi amplificate prin combinarea mai multor impulsuri în spațiu și timp, aceste impulsuri sunt în prezent limitate la aproximativ 100 de femtosecunde (fs), ceea ce nu este suficient pentru a conduce pedalele de gaz cu plasmă cu laser (LPA).
Oamenii de știință de la Centrul BELLA, parte din ATAP, explică: „În timp ce sistemele laser cu fibră oferă cele mai mari eficiențe de putere electro-optică – spectrul de impulsuri laser ultrascurte amplificate în aceste sisteme se îngustează”.
„Când impulsurile laser sunt amplificate în acest fel, îngustarea câștigului este un efect fundamental; cu cât spectrul pulsului este mai îngust, cu atât durata este mai lungă. Prin urmare, este foarte dificil pentru laserele cu fibră de mare putere să genereze impulsuri mai scurte de 100. secunde.”
Cu toate acestea, prin combinarea spectrală a mai multor impulsuri laser care funcționează în intervale de lungimi de undă adiacente, echipa (inclusiv Qiang Du de la Engineering și Dan Wang și Russell Wilcox de la ATAP) a obținut un spectru combinat ultra-larg capabil să suporte impulsuri foarte scurte de zeci de secunde.
Pentru a crește lățimea de bandă și a genera impulsuri de zeci de secunde, cercetătorii au folosit mai întâi un oscilator blocat în mod și un amplificator cu fibră dopată cu ytterbiu (YDFA) pentru a genera impulsuri de 120-secunde la o rată de repetiție de 100 MHz. Au fost trimiși într-o fibră de cristal fotonic, iar spectrul acestor impulsuri laser sa extins de la 27 nanometri (nm) la 90 nm.
Au folosit apoi o oglindă dicroică, care permite ca impulsurile laser să fie separate sau combinate fără pierderi semnificative de intensitate, împărțind astfel impulsurile spectral. Ele au fost apoi trimise la doi modelatori de puls pentru a modela intensitatea și faza spectrelor pulsului respectiv. Când impulsurile reflectate sunt trimise la primul modelator, impulsurile emise sunt amplificate de YDFA, impulsurile sunt formate de al doilea modelator și apoi divizate de o altă oglindă dicroică. Cele trei impulsuri ciripit de la laserul cu fibră sunt apoi amplificate și recombinate folosind oglinzi dicroice suplimentare.
Acest spectru de bandă ultra-largă combinat cu modelarea sintetică a impulsurilor produce impulsuri cu o durată de numai 42 de secunde, ceea ce este mult mai scurt decât impulsurile produse de cele trei canale de fibră. Potrivit echipei, aceasta este cea mai scurtă durată a impulsului laser obținută dintr-un sistem laser cu fibră de iterbiu combinat spectral.
În timp ce această lucrare a demonstrat până acum impulsuri ultrarapide la energii scăzute, ea arată principiile cheie ale combinării spectrale în bandă ultralargă și modelarea coerentă a impulsurilor de sinteză spectrală și oferă o descoperire în utilizarea laserelor cu fibră pentru a conduce pedalele de gaz cu plasmă cu laser (LPA). În viitor, echipa plănuiește să adauge mai multe etape de amplificare și să implementeze tehnici multidimensionale capabile să combine lasere cu fibră spațial, temporal și spectral pentru a genera zeci de secunde de impulsuri laser de înaltă energie.