Hai nhà vật lý tại RIKEN đã tạo ra các xung laser cực ngắn với công suất cực đại là 6 terawatt (6 nghìn tỷ watt) - gần tương đương với công suất được tạo ra bởi 6,000 nhà máy điện hạt nhân. Thành tựu này sẽ góp phần vào sự phát triển hơn nữa của laser atto giây, đã mang về cho ba nhà nghiên cứu giải Nobel Vật lý năm 2023. Nghiên cứu được công bố trên tạp chí Nature Photonics.
Giống như đèn flash của máy ảnh có thể "đóng băng" các vật thể chuyển động nhanh để khiến chúng trông như đang đứng yên trong một bức ảnh, các xung laser rất ngắn có thể giúp chiếu sáng các quá trình cực nhanh, mang lại cho các nhà khoa học một phương pháp mạnh mẽ để chụp ảnh và phát hiện chúng.
Ví dụ, các xung laser cỡ atto giây (1 atto giây=10-18 giây) ngắn đến mức chúng có thể tiết lộ chuyển động của các electron trong nguyên tử và phân tử, mang đến một phương pháp mới để khám phá sự tiến triển của các phản ứng hóa học và sinh hóa. Ngay cả ánh sáng dường như cũng có thể di chuyển trong khoảng thời gian ngắn như vậy, mất khoảng 3 arsec để đi qua một nanomet.
Eiji Takahashi thuộc Trung tâm Quang tử nâng cao (RAP) của RIKEN cho biết: “Bằng cách ghi lại chuyển động của các electron, laser atto giây đóng góp đáng kể cho khoa học cơ bản”. tế bào sinh học, phát triển các vật liệu mới và chẩn đoán các bệnh trạng."
Có tác động mạnh hơn
Tuy nhiên, mặc dù có thể tạo ra các xung laser cực ngắn nhưng chúng thiếu tác động và có năng lượng thấp. Eiji Takahashi cho biết, việc tạo ra các xung laser siêu ngắn, năng lượng cao sẽ mở rộng đáng kể các ứng dụng có thể có của chúng: “Năng lượng đầu ra hiện tại của laser atto giây là cực kỳ thấp. Do đó, việc tăng năng lượng đầu ra của chúng là rất quan trọng nếu chúng được sử dụng làm nguồn sáng trong nhiều lĩnh vực."
Giống như các bộ khuếch đại âm thanh được sử dụng để tăng cường tín hiệu âm thanh, các nhà vật lý laser sử dụng các bộ khuếch đại quang học để tăng năng lượng của các xung laser. Những bộ khuếch đại này thường sử dụng các tinh thể phi tuyến phản ứng đặc biệt với ánh sáng. Tuy nhiên, nếu những tinh thể này được sử dụng để khuếch đại các xung laser chu kỳ đơn, chúng có thể bị hư hỏng không thể sửa chữa được. Các xung laser một chu kỳ ngắn đến mức xung này kết thúc trước khi ánh sáng dao động qua một chu kỳ bước sóng đầy đủ.
Eiji Takahashi cho biết, nút thắt lớn nhất trong việc phát triển các nguồn laser hồng ngoại cực nhanh, năng lượng cao là thiếu một phương pháp hiệu quả để khuếch đại trực tiếp các xung laser chu kỳ đơn. Nút thắt này dẫn đến hàng rào 1-millijoule cho một tia laser. -chu kỳ năng lượng xung laser."
Thiết lập kỷ lục mới
Tuy nhiên, nút thắt này hiện đã được phá vỡ. Họ đã khuếch đại các xung đơn chu kỳ lên hơn 50 milijoule, gấp hơn 50 lần kết quả tốt nhất trước đó. Bởi vì các xung laser thu được rất ngắn nên năng lượng này chuyển thành công suất cực kỳ cao, khoảng vài terawatt.
Takahashi cho biết: “Chúng tôi đã chứng minh được cách khắc phục nút cổ chai bằng cách thiết lập một phương pháp hiệu quả để khuếch đại các xung laser chu kỳ đơn”.
Phương pháp của họ, được gọi là khuếch đại tham số quang học hai chirped tiên tiến (DC-OPA), rất đơn giản và chỉ bao gồm hai tinh thể khuếch đại các vùng bổ sung của quang phổ.
Takahashi cho biết: "DC-OPA tiên tiến để khuếch đại các xung laser chu kỳ đơn đơn giản đến mức nó chỉ dựa trên sự kết hợp của hai tinh thể phi tuyến - nó giống như một ý tưởng mà bất cứ ai cũng có thể nghĩ ra. Tôi ngạc nhiên khi một khái niệm đơn giản như vậy lại mang lại hiệu quả một kỹ thuật khuếch đại mới và bước đột phá trong việc phát triển tia laser cực nhanh năng lượng cao.”
Điều quan trọng là DC-OPA tiên tiến hoạt động trên phạm vi bước sóng rất rộng. Nhóm nghiên cứu đã có thể khuếch đại các xung có độ lệch bước sóng lớn hơn gấp đôi bước sóng. Takahashi cho biết: “Phương pháp mới này có tính năng mang tính cách mạng là băng thông khuếch đại cho phép đầu ra tần số cực rộng mà không ảnh hưởng đến đặc tính thang đo năng lượng đầu ra”.
Kỹ thuật khuếch đại mới
Kỹ thuật của họ là một biến thể của một kỹ thuật khuếch đại xung quang khác gọi là "khuếch đại xung chirped", nhờ đó ba nhà nghiên cứu đến từ Mỹ, Pháp và Canada đã được trao giải Nobel Vật lý năm 2018. Laser là một trong những công nghệ thúc đẩy sự phát triển của tia laser.
Takahashi hy vọng rằng công nghệ của họ sẽ thúc đẩy hơn nữa sự phát triển của laser atto giây: “Chúng tôi đã phát triển thành công một phương pháp khuếch đại laser mới có thể tăng cường độ của các xung laser chu kỳ đơn lên công suất cực đại terawatt”, ông nói, “và không còn nghi ngờ gì nữa”. rằng đây là bước nhảy vọt lớn trong việc phát triển laser atto giây công suất cao."
Về lâu dài, mục tiêu của ông là vượt xa tia laser atto giây và tạo ra các xung thậm chí còn ngắn hơn.
