Naukowcy wprowadzili nowatorską metodę dokładnego pomiaru ultrakrótkich impulsów laserowych o bardzo dużej mocy, umożliwiając znaczny postęp w technologii laserowej i jej zastosowanie w coraz potężniejszych systemach laserowych.
Instytut Badań Podstawowych Tata w Bombaju opracował innowacyjną metodę kompleksowego pomiaru ultrakrótkich impulsów laserowych o ultrawysokiej mocy. Wyniki ich badań opublikowano niedawno w cenionym czasopiśmie o otwartym dostępie, pt. Optyka.
Co to za zaliczka?
Laser, cud współczesnego świata, wytworzył impulsy o najkrótszym czasie trwania, jakie kiedykolwiek znali ludzie. Co więcej, zapewnił także sposób na zgromadzenie dużych ilości energii świetlnej w tak niezwykle krótkim czasie, co doprowadziło do astronomicznie dużych mocy „szczytowych”, o wielkości tysiące razy większej niż całkowite zużycie energii elektrycznej na świecie!
Optyka to teraz naprawdę gra o mocy!
Pomiar czasowego kształtu tych impulsów nie jest jednak łatwym zadaniem i choć w ciągu ostatnich kilku dziesięcioleci naukowcy opracowali sprytne sposoby, pozostaje kilka poważnych wyzwań.
Po pierwsze, zniekształcenia czasu, którym ulega krótki impuls, gdy przechodzi przez ośrodek. Im większa moc, tym poważniejsze są te zniekształcenia.
Wyzwania w zakresie pomiaru impulsów laserowych
Jeszcze inna poważna komplikacja wiąże się z różnicami w profilu czasu impulsu w różnych punktach w samą wiązkę lasera. Najczęściej naukowcy nie przejmują się tymi zmianami w zakresie przestrzennym wiązki i przyjmują pojedynczy profil czasowy. Jednakże im większa wiązka i/lub im większą długość pokonuje w ośrodku, tym poważniejsze stają się te zniekształcenia, radykalnie zmieniając impuls. A przy bardzo wysokich mocach szczytowych konieczna jest wiedza o czasie trwania w różnych punktach zasięgu przestrzennego wiązki.
Zespół TIFR wykorzystał specjalnie zaprojektowany instrument do pomiaru profili czasowych w punktach przestrzennych ultrakrótkiej wiązki lasera. Zastosowali technikę optyczną zwaną „interferometrią widmową” w różnych lokalizacjach przestrzennych wiązki jednocześnieaby to osiągnąć. W ramach tego badania zespół współpracował z Uniwersytetem w Umea w Szwecji.
Zalety nowej metody
W obliczu zbliżającego się świata naukowego w kierunku szczytowych mocy lasera, o których nigdy wcześniej nie marzyliśmy (dziesiątki tysięcy bilionów watów!) w wiązkach laserowych rozłożonych na średnicach kilkudziesięciu centymetrów, metoda ta będzie nie tylko niezwykle użyteczna, ale wręcz niezbędna.
Oto kolejny atut tej metody. Te lasery o ultrawysokiej mocy emitują impulsy co jakiś czas – raz na wiele sekund/minut/godzin. Wcześniejsze techniki pomiarowe wymagały próbkowania wielu impulsów przed oszacowaniem profilu impulsu i były niezwykle kłopotliwe.
Zaliczka TIFR również rozwiązuje ten problem. Działa na jeden impuls!
A teraz wisienka na torcie. Gdy szczytowa moc lasera wystrzeliwuje przez dach, zwykłe stałe elementy optyczne nie są w stanie sobie z nią poradzić, ponieważ ulegają rozkładowi w wyniku jonizacji. Technologia zmierza zatem w kierunku wykorzystania materii zjonizowanej, czyli „osocze’, do zaprojektowania tych elementów optycznych. Plazmy te mogą być wysoce niestabilne i powodować dalsze zniekształcenia profili czasoprzestrzennych padającego na nie impulsu. Do pomiaru tych zniekształceń doskonale nadaje się metoda TIFR.
Jednorazowe rozwiązanie dla wszystkich laserów o ultrawysokiej mocy szczytowej? To jest obietnica!
Odniesienie: „Single-shot, czasoprzestrzenna analiza relatywistycznej optyki plazmowej” autorstwa Laszlo Veisza, G. Ravindry Kumara, Anandama Choudhary’ego, Ankita Dulata, Amita D. Lada, Yasha M. Ved i C. Aparajita, 19 sierpnia 2024 r., Optyka.
DOI: doi:10.1364/OPTICA.522870
Badanie zostało sfinansowane przez Tata Institute of Fundamental Research w Bombaju, Anusandhan National Research Foundation (ANRF) i New Delhi.
