Ny teknologi kombinerer fiberlasere med forskjellige bølgelengder for å produsere ultrakorte laserpulser

Nylig kunngjorde en gruppe forskere fra Berkeley Labs divisjon Accelerator Technology and Applied Physics (ATAP) utviklingen av en ny teknikk som kan kombinere fiberlasere med forskjellige bølgelengder for å produsere ultrakorte laserpulser.
Dette arbeidet kan fremme utviklingen av laserplasmagasspedaler (LPA), som har potensial til å flytte grensene for høyenergifysikk og muliggjøre oppdagelser innen materialvitenskap, fusjonsforskning og mange andre felt.
Laserplasma gasspedaler (LPA) bruker intense pulser av ultrarask laserlys for å akselerere ladede partikler gjennom et plasma med hastigheter opptil 1,000 ganger raskere enn dagens teknologi, noe som gjør det mulig å lage maskiner som er mer kompakte og kraftigere enn konvensjonelle gasspedaler, og rimeligere å bygge og betjene.
For tiden bruker de fleste laserplasmagasspedaler (LPA) laserpulser med repetisjonsfrekvenser på bare noen få hertz (Hz). Å realisere det fulle potensialet til LPA-er krever imidlertid lasersystemer med høy effekt som er i stand til å generere ultrakorte, høyenergi-laserpulser ved repetisjonsfrekvenser på kHz eller høyere.
Disse begrensningene stiller svært krevende krav til lasersystemene som genererer slike pulser. Som et resultat vendte forskeren seg til fiberlasere, som hun sier er «den desidert mest effektive høyeffektlaserteknologien og også har omfattende industriell utvikling som kan utnyttes i vårt arbeid».
Mens energien og kraften til pulser generert av fiberlasere kan forsterkes ved å kombinere flere pulser i rom og tid, er disse pulsene for øyeblikket begrenset til omtrent 100 femtosekunder (fs), som ikke er nok til å drive laserplasmagasspedaler (LPA).
Forskere ved BELLA Center, en del av ATAP, forklarer, "Mens fiberlasersystemer gir den høyeste elektro-optiske krafteffektiviteten - blir spekteret av ultrakorte laserpulser forsterket i disse systemene smalere."
"Når laserpulser forsterkes på denne måten, er forsterkningsinnsnevring en grunnleggende effekt; jo smalere spektrum av pulsen er, jo lengre varighet. Som et resultat er det svært utfordrende for høyeffektfiberlasere å generere pulser kortere enn 100 sekunder."
Imidlertid, ved å spektralt kombinere flere laserpulser som opererer i tilstøtende bølgelengdeområder, oppnådde teamet (inkludert Qiang Du fra Engineering og Dan Wang og Russell Wilcox fra ATAP) et ultrabredt kombinert spektrum som er i stand til å støtte svært korte pulser på titalls sekunder.
For å øke båndbredden og generere pulser som er titalls sekunder lange, brukte forskerne først en moduslåst oscillator og en ytterbium-dopet fiberforsterker (YDFA) for å generere 120-sekundpulser med en repetisjonshastighet på 100 MHz. De ble sendt inn i en fotonisk krystallfiber, og spekteret til disse laserpulsene utvidet seg fra 27 nanometer (nm) til 90 nm.
De brukte deretter et dikroisk speil, som gjør at laserpulsene kan separeres eller kombineres uten betydelig tap av intensitet, og dermed splitte pulsene spektralt. De ble deretter sendt til to pulsformere for å forme intensiteten og fasen til de respektive pulsspektrene. Når de reflekterte pulsene sendes til den første formeren, blir de utsendte pulsene forsterket av YDFA, pulsene dannes av den andre formeren og splittes videre av et annet dikroisk speil. De tre kvitrede pulsene fra fiberlaseren blir deretter forsterket og rekombinert ved hjelp av ytterligere dikroiske speil.
Dette ultrabredbåndsspekteret kombinert med syntetisk pulsforming produserer pulser med en varighet på bare 42 sekunder, som er mye kortere enn pulsene som produseres av de tre fiberkanalene. Ifølge teamet er dette den korteste pulslaservarigheten oppnådd fra et spektralt kombinert ytterbiumfiberlasersystem.
Mens dette arbeidet har demonstrert ultraraske pulser ved lave energier så langt, viser det nøkkelprinsippene for ultrabredbåndsspektral kombinasjon og koherent spektral syntesepulsforming, og gir et gjennombrudd i bruken av fiberlasere for å drive laserplasmagasspedaler (LPA). I fremtiden planlegger teamet å legge til flere forsterkningstrinn og implementere flerdimensjonale teknikker som er i stand til å kombinere fiberlasere romlig, tidsmessig og spektralt for å generere titalls sekunder med høyenergi-laserpulser.