لیزرهای کوپل شده طیفی می توانند پتانسیل شتاب دهنده های لیزر-پلاسما را باز کنند

تیمی از محققان بخش فناوری شتاب دهنده و فیزیک کاربردی آزمایشگاه برکلی (ATAP) تکنیک جدیدی را برای ترکیب لیزرهای فیبری که در طول موج های مختلف کار می کنند برای تولید پالس های لیزری فوق کوتاه توسعه داده اند. این مطالعه در مجله منتشر شد اپتیک اکسپرس.

این کار می‌تواند توسعه شتاب‌دهنده‌های لیزر پلاسما (LPAs) را تسریع بخشد، که این پتانسیل را دارند که مرزهای فیزیک با انرژی بالا را جابجا کنند و اکتشافات را در علم موادتحقیقات فیوژن و بسیاری از زمینه های دیگر.

LPAها از فشرده و فوق سریع استفاده می کنند پالس های لیزر عبور از پلاسما برای شتاب بخشیدن به ذرات باردار تا هزار برابر سریعتر از فناوری فعلی. آنها نوید ماشین‌های فشرده‌تر و قدرتمندتر را می‌دهند که ساخت و کارکردشان ارزان‌تر از شتاب‌دهنده‌های معمولی است.

در حال حاضر، اکثر LPA ها از پالس های لیزری با نرخ تکرار تنها چند هرتز (هرتز) استفاده می کنند. سییون چن، محقق مرکز BELLA در ATAP که رهبری می کند، می گوید: با این حال، تحقق پتانسیل کامل LPA ها به سیستم های لیزری پرقدرت نیاز دارد که قادر به تولید پالس های لیزری فوق کوتاه و پرانرژی با نرخ های تکرار در محدوده کیلوهرتز یا بالاتر هستند. نمایش تجربی تکنیک جدید

چن اضافه می‌کند که این محدودیت‌ها الزامات بسیار سختی را برای سیستم‌های لیزری ایجاد می‌کنند که چنین پالس‌هایی را تولید می‌کنند. بنابراین محققان به لیزرهای فیبر روی آوردند، که به گفته او “کارآمدترین فناوری لیزر پرقدرت است که تا به امروز نشان داده شده است و همچنین توسعه صنعتی گسترده ای دارد که می تواند در کار ما استفاده شود.”

اگرچه انرژی و قدرت پالس های تولید شده توسط لیزرهای فیبری را می توان با ترکیب پالس های متعدد در فضا (مکانی) و در زمان (زمانی) افزایش داد، اما این پالس ها در حال حاضر به حدود صد فمتوثانیه (fs) محدود می شوند که کوتاه نیستند. برای راه اندازی LPA کافی است.

اگرچه سیستم های لیزر فیبر بالاترین راندمان پلاگین را ارائه می دهند – راندمان انرژی الکتریکی تا نوری – طیف پالس های لیزر فوق کوتاه تانگ ژو، محققی در مرکز BELLA ATAP که توسعه تکنیک جدید را رهبری کرده است، توضیح می دهد که سختی در این سیستم ها باریک می شود.

هنگامی که پالس های لیزری به این شکل تقویت می شوند، این باریک شدن بهره یک اثر عمده است. هرچه طیف پالس باریکتر باشد، مدت زمان آن بیشتر می شود. بنابراین برای لیزرهای فیبر پرقدرت تولید پالس های کوتاه تر از حدود صد fs بسیار چالش برانگیز است.”

با این حال، با ترکیب طیفی پالس‌های لیزری متعدد که در محدوده‌های طول موج مجاور کار می‌کنند، تیمی که شامل Qiang Du از بخش مهندسی و دان وانگ و راسل ویلکاکس از ATAP نیز می‌شد، به طیف ترکیبی فوق‌العاده وسیعی دست یافت که قادر به پشتیبانی از پالس‌های بسیار کوتاه در ده‌هاست. از fs.

برای افزایش پهنای باند و تولید ده‌ها پالس طولانی fs، محققان ابتدا از یک نوسان‌گر قفل‌دار حالت و تقویت‌کننده فیبر ایتربیوم (YDFA) برای تولید پالس‌های 120 fs با نرخ تکرار 100 مگاهرتز استفاده کردند. آنها به یک فیبر کریستال فوتونی فرستاده شدند که در آنجا طیف آنها از 27 نانومتر (nm) به 90 نانومتر افزایش یافت.

آنها سپس از یک آینه دو رنگ استفاده کردند که به پالس های لیزر اجازه می دهد بدون افت شدید شدت، تقسیم یا ترکیب شوند تا پالس را به صورت طیفی تقسیم کنند. سپس به دو شکل دهنده پالس فرستاده شد تا شدت و فاز طیف های پالس مربوطه را شکل دهند. در حالی که پالس‌های بازتاب‌شده به شکل‌دهنده اول ارسال می‌شد، پالس‌های ارسالی توسط YDFA تقویت می‌شد، پالس‌ها توسط شکل‌دهنده دوم شکل می‌گرفتند، و بیشتر توسط یک آینه دو رنگ دیگر تقسیم می‌شدند. سپس سه پالس جیک شده از لیزر فیبر تقویت شده و با استفاده از آینه‌های دو رنگ اضافی ترکیب شدند.

چن می‌گوید: «این ترکیب طیفی فوق‌باند با شکل‌دهی پالس سنتز شده، پالس‌هایی با مدت زمان تنها 42 fs تولید می‌کند که به طور قابل‌توجهی کوتاه‌تر از پالس‌های تولید شده توسط هر یک از سه کانال فیبر است. ما بر این باوریم که این کوتاه‌ترین مدت پالسی است که تاکنون توسط یک سیستم لیزر فیبر ایتربیوم کوپل شده طیفی به دست آمده است.

ژو خاطرنشان می‌کند: «اگرچه این کار پالس‌های فوق سریع را نشان می‌دهد که تاکنون انرژی پایینی داشته‌اند، اما اصول کلیدی ترکیب طیفی فراباند و سنتز طیفی منسجم را نشان می‌دهد. نبض شکل دهی و راهی را برای استفاده از لیزرهای نوری برای هدایت LPA ها فراهم می کند.”

این تیم قصد دارد مراحل تقویت بیشتری را اضافه کند و از تکنیک‌های چند بعدی استفاده کند که قادر به ترکیب لیزرهای فیبر از نظر مکانی، زمانی و طیفی برای تولید پالس‌های لیزری پرانرژی ده‌ها fs هستند.

کامرون گدس، مدیر بخش ATAP در توضیح این کار گفت: “این نشان می دهد که چگونه محققان در ATAP در حال توسعه شتاب دهنده های ذرات پیشرفته هستند که نوید اکتشافات در علوم پایه و پیشرفت هایی در همجوشی، پزشکی، علم مواد و بسیاری از زمینه های دیگر را می دهند.”