_ Imagistica la attosecundă făcută posibilă prin scurt și impulsuri laser puternice

Impulsuri extrem de scurte de lumină laser cu o putere maximă de 6 terawați (6 trilioane de wați) — aproximativ echivalent cu puterea produsă de 6.000 de centrale nucleare — au fost realizate de doi fizicieni RIKEN. Această realizare va ajuta la dezvoltarea în continuare a laserelor de attosecundă, pentru care trei cercetători au primit Premiul Nobel pentru Fizică în 2023. Lucrarea este publicată în revista Nature Photonics.

În același mod în care un bliț de cameră poate „ îngheață” obiecte care se mișcă rapid, făcându-le să pară ca și cum ar sta nemișcate în fotografii, impulsurile laser extrem de scurte pot ajuta la iluminarea proceselor ultrarapide, oferind oamenilor de știință o modalitate puternică de a le imagine și de a le sonda.

De exemplu. , impulsurile laser de ordinul attosecundelor (o attosecundă = 10–18 secunde) sunt atât de scurte încât pot dezvălui mișcarea electronilor în atomi și molecule, oferind o nouă modalitate de a descoperi modul în care reacțiile chimice și biochimice evoluează. Chiar și lumina pare să se târască la scări de timp atât de scurte, fiind nevoie de aproximativ 3 attosecunde pentru a traversa un singur nanometru.

„Făcând posibilă captarea mișcării electronilor, laserele attosecunde au adus o contribuție majoră la știința de bază. ”, spune Eiji Takahashi de la Centrul RIKEN pentru Fotonică Avansată (RAP). „Se așteaptă ca aceștia să fie utilizați într-o gamă largă de domenii, inclusiv observarea celulelor biologice, dezvoltarea de noi materiale și diagnosticarea afecțiunilor medicale.”

Dar deși este posibil să se creeze impulsuri laser ultrascurte, le lipsesc mult. pumn, având energii scăzute. Crearea de impulsuri laser care sunt atât ultrascurte, cât și cu energii mari le-ar extinde foarte mult posibilele utilizări. „Energia de ieșire curentă a laserelor de attosecundă este extrem de scăzută”, spune Takahashi. „Deci este vital să le creștem energia de ieșire dacă urmează să fie folosite ca surse de lumină într-o gamă largă de domenii.”

La fel cum amplificatoarele audio sunt folosite pentru a spori semnalele sonore, fizicienii laser folosesc amplificatoare optice pentru crește energia impulsurilor laser. Aceste amplificatoare folosesc de obicei cristale neliniare care prezintă răspunsuri speciale la lumină. Dar aceste cristale pot fi deteriorate iremediabil dacă sunt folosite pentru a amplifica impulsurile laserului cu un singur ciclu, care sunt atât de scurte încât pulsul se termină înainte ca lumina să poată oscila printr-un ciclu complet de lungime de undă.

„Cel mai mare blocaj din dezvoltarea surselor de laser cu infraroșu energetic, ultrarapid, a fost lipsa unei metode eficiente de a amplifica direct impulsurile laser cu un singur ciclu”, explică Takahashi. „Acest blocaj a dus la o barieră de un milijoule pentru energia impulsurilor laser cu un singur ciclu.”

Acum, Takahashi și colegul RAP, Lu Xu, nu doar au depășit această barieră, ci au depășit-o. aceasta. Au amplificat impulsurile cu un singur ciclu până la peste 50 de milijouli - de peste 50 de ori mai mult decât efortul anterior. Deoarece impulsurile laser rezultate sunt atât de scurte, această energie se traduce în puteri incredibil de mari de câțiva terawați.

„Am demonstrat cum să depășim blocajul prin stabilirea unei metode eficiente de amplificare a unui impuls laser cu un singur ciclu. ”, spune Takahashi.

Metoda lor, numită amplificare parametrică optică avansată dual-chirped (DC-OPA), este surprinzător de simplă, implicând doar două cristale, care amplifică regiuni complementare ale spectrului.

„DC-OPA avansat pentru amplificarea unui impuls laser cu un singur ciclu este foarte simplu, fiind bazat doar pe o combinație de două tipuri de cristale neliniare – se simte ca o idee pe care oricine i-ar fi putut veni”, spune Takahashi. „Am fost surprins că un concept atât de simplu a oferit o nouă tehnologie de amplificare și a provocat o descoperire în dezvoltarea laserelor ultrarapide de înaltă energie”.

Important, DC-OPA avansat funcționează pe o gamă foarte largă de lungimi de undă. Takahashi și Xu au reușit să amplifice impulsuri ale căror lungimi de undă diferă cu mai mult de un factor de doi. „Această nouă metodă are caracteristica revoluționară că lățimea de bandă de amplificare poate fi făcută ultralargă fără a compromite caracteristicile de scalare a energiei de ieșire”, spune Takahashi.

Tehnica lor este o variație a unei alte tehnici de amplificare pentru impulsuri optice, numită „amplificarea pulsului cu ciripit”, pentru care trei cercetători din Statele Unite, Franța și Canada au primit Premiul Nobel pentru Fizică în 2018. Există o legătură interesantă între premiile din 2018 și 2023 prin faptul că amplificarea pulsului cu ciripit a fost una dintre tehnicile care a permis dezvoltarea laserelor de attosecundă.

Takahashi anticipează că tehnica lor va avansa în continuare dezvoltarea laserelor de attosecundă. „Am reușit să dezvoltăm o nouă metodă de amplificare cu laser care poate crește intensitatea impulsurilor laser cu un singur ciclu până la puterea de vârf din clasa terawatt”, spune el. „Este, fără îndoială, un salt major înainte în dezvoltarea laserelor de attosecundă de mare putere.”

Pe termen lung, el își propune să depășească laserele de attosecundă și să creeze impulsuri și mai scurte.

„Prin combinarea laserelor cu un singur ciclu cu efecte optice neliniare de ordin superior, ar putea fi posibil să se genereze impulsuri de lumină cu o lățime de timp de zeptosecunde (o zeptosecundă = 10–21 de secunde)”, spune el. „Obiectivul meu pe termen lung este să bat la ușa cercetării cu laser zeptosecunde și să deschid următoarea generație de lasere ultrascurte după laserele de attosecundă.”

(Fluierul)