Naukowcy z ETH Zurich opracowali laser wytwarzający najsilniejsze jak dotąd ultrakrótkie impulsy laserowe. W przyszłości impulsy o tak dużej mocy mogłyby zostać wykorzystane do precyzyjnych pomiarów lub obróbki materiałów.
- Naukowcy opracowali laser, który może wytwarzać niezwykle krótkie impulsy o mocy szczytowej do 100 megawatów i średniej mocy 550 watów.
- Było to możliwe dzięki zoptymalizowanemu rozmieszczeniu zwierciadeł w laserze oraz udoskonaleniu specjalnego zwierciadła, które powoduje, że laser emituje impulsy.
- W przyszłości te rekordowe impulsy laserowe można będzie wykorzystać na przykład do precyzyjnych pomiarów.
Zaawansowane technologie laserowe
Kiedy ludzie myślą o laserach, często wyobrażają sobie potężną, ciągłą wiązkę światła. Tego typu lasery są rzeczywiście powszechne i służą wielu praktycznym celom. Jednak zarówno w nauce, jak i przemyśle istnieje również ogromne zapotrzebowanie na światło laserowe, które pojawia się w bardzo krótkich, intensywnych impulsach. Te impulsy laserowe można wykorzystać do kształtowania materiałów lub do generowania wysokich częstotliwości harmonicznych sięgających zakresu promieniowania rentgenowskiego, pomagając odkryć procesy zachodzące w skali attosekundowej – miliardowej części miliardowej sekundy.
Rekordowe impulsy laserowe
Niedawno zespół badawczy kierowany przez Ursulę Keller, profesor w Instytucie Elektroniki Kwantowej na ETH Zurich, dokonał wielkiego przełomu w tej dziedzinie. Stworzyli najpotężniejsze impulsy laserowe, jakie kiedykolwiek wygenerował oscylator laserowy, o średniej mocy wyjściowej 550 watów — o ponad 50% więcej niż poprzedni rekord. Impulsy te są nie tylko niewiarygodnie mocne, ale także niezwykle krótkie, trwające mniej niż pikosekundę (milionową części milionowej sekundy). Są emitowane w szybkim, regularnym wzorze pięciu milionów impulsów na sekundę, a każdy impuls osiąga moc szczytową do 100 megawatów – teoretycznie wystarczającą do krótkotrwałego zasilenia 100 000 odkurzaczy. Odkrycia zespołu opublikowano w czasopiśmie naukowym Optyka.
„Ta płyta jest wynikiem długiej, ekscytującej podróży z dużą ilością interesującej fizyki laserów.”
Urszuli Keller
Ulepszenia w projektowaniu laserowym
Od 25 lat grupa badawcza Kellera pracuje nad ciągłym udoskonalaniem tzw. krótkoimpulsowych laserów dyskowych, w których materiał laserowy składa się z cienkiego dysku o grubości zaledwie 100 mikrometrów, kryształu zawierającego atomy iterbu.
Keller i jej współpracownicy raz po raz napotykali nowe problemy, które początkowo utrudniały dalszy wzrost mocy. Dość często zdarzały się spektakularne zdarzenia, podczas których niszczone były różne części wnętrza lasera. Rozwiązanie problemów doprowadziło do nowych spostrzeżeń, dzięki którym lasery o krótkich impulsach, popularne również w zastosowaniach przemysłowych, stały się bardziej niezawodne.
Innowacje w generowaniu impulsów laserowych
„Połączenie jeszcze większej mocy i częstotliwości impulsów wynoszącej 5,5 megaherca, które obecnie osiągnęliśmy, opiera się na dwóch innowacjach” – wyjaśnia Moritz Seidel, doktorant w laboratorium Kellera. Po pierwsze, on i jego koledzy zastosowali specjalny układ zwierciadeł, które kilka razy wysyłają światło wewnątrz lasera przez dysk, zanim opuści ono laser przez odsprzęgające zwierciadło. „Takie ustawienie pozwala nam niezwykle wzmocnić światło bez utraty stabilności lasera” – mówi Seidel.
Druga innowacja dotyczy centralnego elementu lasera pulsacyjnego: specjalnego zwierciadła wykonanego z materiału półprzewodnikowego, które Keller wynalazł już trzydzieści lat temu i nosi pamiętny skrót SESAM (Semiconductor Saturable Absorber Mirror). W przeciwieństwie do zwykłych luster, współczynnik odbicia SESAM zależy od siły padającego na nie światła.
Impulsy Dzięki SESAM
Korzystając z SESAM, naukowcy nakłonili swój laser do wysyłania krótkich impulsów, a nie ciągłej wiązki. Impulsy mają większą intensywność, ponieważ energia świetlna jest skoncentrowana w krótszym czasie. Aby laser w ogóle wysyłał światło laserowe, natężenie światła w jego wnętrzu musi przekroczyć pewną wartość progową. Tutaj z pomocą przychodzi SESAM: odbija on światło, które przeszło już kilka razy przez dysk wzmacniający, szczególnie efektywnie przy dużym natężeniu światła. W rezultacie laser automatycznie przechodzi w tryb pulsacyjny.
„Impulsy o mocy porównywalnej z tą, którą osiągnęliśmy obecnie, można było dotychczas uzyskać jedynie poprzez wysyłanie słabszych impulsów laserowych przez kilka oddzielnych wzmacniaczy znajdujących się na zewnątrz lasera” – mówi Seidel. Wadą tego jest to, że wzmocnienie prowadzi również do większego szumu, odpowiadającego wahaniom mocy, co powoduje problemy, szczególnie w precyzyjnych pomiarach. Aby wytworzyć dużą moc bezpośrednio przy użyciu oscylatora laserowego, badacze musieli rozwiązać szereg trudnych problemów technicznych – np. jak przymocować do warstwy półprzewodnikowej zwierciadła SESAM cienkie okienko szafirowe, co znacznie poprawia właściwości zwierciadła . „Kiedy w końcu zadziałało i zobaczyliśmy, jak laser wytwarza impulsy, było naprawdę fajnie” – mówi Seidel.
Alternatywne zastosowania i perspektywy na przyszłość
Ursula Keller również jest zachwycona tymi wynikami i podkreśla: „Wsparcie ze strony ETH Zurich na przestrzeni lat i niezawodne finansowanie moich badań przez Szwajcarski Fundusz Narodowy pomogły mi i moim współpracownikom osiągnąć ten wspaniały wynik. Teraz spodziewamy się również, że będziemy w stanie bardzo efektywnie skrócić te impulsy do kilku cykli, co jest bardzo ważne przy tworzeniu impulsów attosekundowych”.
Według Kellera szybkie i silne impulsy możliwe dzięki nowemu laserowi mogą również znaleźć zastosowanie w nowych, tak zwanych grzebieniach częstotliwości w zakresie od ultrafioletu do promieniowania rentgenowskiego, co może prowadzić do jeszcze bardziej precyzyjnych zegarów. „Marzeniem byłoby pokazanie pewnego dnia, że stałe naturalne nie są jednak stałe” – mówi Keller. Również, terahercowy promieniowanie, które ma znacznie większą długość fali niż światło widzialne czy podczerwone, można wytworzyć za pomocą lasera, a następnie wykorzystać np. do testowania materiałów. „Podsumowując, można powiedzieć, że dzięki naszym laserom impulsowym pokazaliśmy, że oscylatory laserowe są dobrą alternatywą dla systemów laserowych opartych na wzmacniaczach i umożliwiają nowe, lepsze pomiary” – podsumowuje Keller.
Odniesienie: „Ultraszybki cienkodyskowy oscylator laserowy średniej mocy o mocy 550 W” autorstwa Lukasa Langa, Moritza Seidela, Christophera R. Phillipsa i Ursuli Keller, 19 października 2024 r., Optyka.
DOI: doi:10.1364/OPTICA.529185
