Ny teknologi kombinerer fiberlasere med forskellige bølgelængder for at producere ultrakorte laserimpulser

For nylig annoncerede en gruppe forskere fra Berkeley Labs Accelerator Technology and Applied Physics (ATAP) afdeling udviklingen af ​​en ny teknik, der kan kombinere fiberlasere med forskellige bølgelængder for at producere ultrakorte laserimpulser.
Dette arbejde kunne fremme udviklingen af ​​laserplasma gaspedaler (LPA), som har potentialet til at skubbe grænserne for højenergifysik og muliggøre opdagelser inden for materialevidenskab, fusionsforskning og mange andre områder.
Laserplasma gaspedaler (LPA'er) bruger intense pulser af ultrahurtigt laserlys til at accelerere ladede partikler gennem et plasma med hastigheder op til 1,000 gange hurtigere end den nuværende teknologi, hvilket gør det muligt at skabe maskiner, der er mere kompakte og kraftfulde end konventionelle gaspedaler og billigere at bygge og betjene.
I øjeblikket bruger de fleste laserplasma gaspedaler (LPA'er) laserimpulser med gentagelsesfrekvenser på kun nogle få hertz (Hz). Men at realisere det fulde potentiale af LPA'er kræver højeffektlasersystemer, der er i stand til at generere ultrakorte, højenergi-laserimpulser ved gentagelsesfrekvenser på kHz eller højere.
Disse begrænsninger stiller meget høje krav til de lasersystemer, der genererer sådanne impulser. Som et resultat vendte forskeren sig mod fiberlasere, som hun siger er "langt den mest effektive højeffektlaserteknologi og også har en omfattende industriel udvikling, som kan udnyttes i vores arbejde."
Mens energien og kraften af ​​pulser genereret af fiberlasere kan forstærkes ved at kombinere flere pulser i rum og tid, er disse pulser i øjeblikket begrænset til omkring 100 femtosekunder (fs), hvilket ikke er nok til at drive laserplasma gaspedaler (LPA).
Forskere ved BELLA Center, en del af ATAP, forklarer: "Mens fiberlasersystemer giver den højeste elektro-optiske effekteffektivitet - indsnævres spektret af ultrakorte laserimpulser, der forstærkes i disse systemer."
"Når laserimpulser forstærkes på denne måde, er forstærkningsindsnævring en fundamental effekt; jo snævrere spektrum af pulsen er, desto længere er varigheden. Som følge heraf er det meget udfordrende for højeffektfiberlasere at generere pulser kortere end 100 sekunder."
Men ved spektralt at kombinere flere laserimpulser, der opererer i tilstødende bølgelængdeområder, opnåede holdet (inklusive Qiang Du fra Engineering og Dan Wang og Russell Wilcox fra ATAP) et ultrabredt kombineret spektrum, der er i stand til at understøtte meget korte impulser på snesevis af sekunder.
For at øge båndbredden og generere pulser, der er ti sekunder lange, brugte forskerne først en tilstandslåst oscillator og en ytterbium-doteret fiberforstærker (YDFA) til at generere 120-sekundpulser med en gentagelseshastighed på 100 MHz. De blev sendt ind i en fotonisk krystalfiber, og spektret af disse laserimpulser udvidede sig fra 27 nanometer (nm) til 90 nm.
De brugte derefter et dikroisk spejl, som gør det muligt at adskille eller kombinere laserimpulserne uden væsentligt tab af intensitet, og dermed opdele impulserne spektralt. De blev derefter sendt til to pulsformere for at forme intensiteten og fasen af ​​de respektive pulsspektre. Når de reflekterede pulser sendes til den første shaper, forstærkes de udsendte pulser af YDFA, pulserne dannes af den anden shaper og opdeles yderligere af et andet dikroisk spejl. De tre chirpede impulser fra fiberlaseren forstærkes derefter og rekombineres ved hjælp af yderligere dikroiske spejle.
Dette ultrabredbåndsspektrum kombineret med syntetisk pulsformning producerer pulser med en varighed på kun 42 sekunder, hvilket er meget kortere end pulserne produceret af de tre fiberkanaler. Ifølge holdet er dette den korteste pulslaservarighed opnået fra et spektralt kombineret ytterbiumfiberlasersystem.
Selvom dette arbejde har demonstreret ultrahurtige pulser ved lave energier indtil videre, viser det nøgleprincipperne for ultrabredbåndsspektral kombination og kohærent spektral syntese pulsformning og giver et gennembrud i brugen af ​​fiberlasere til at drive laserplasma gaspedaler (LPA). I fremtiden planlægger holdet at tilføje flere forstærkningstrin og implementere multidimensionelle teknikker, der er i stand til at kombinere fiberlasere rumligt, tidsmæssigt og spektralt for at generere titusvis af sekunders højenergi-laserimpulser.