На пути к аттосекундной физике: создан лазер с рекордной мощностью ультракоротких импульсов

Мир лазеров — это мир постоянного стремления к новым вершинам: большей мощности, короче импульсам, более высокой стабильности. Недавно ученые из ETH Zurich совершили прорыв в этой области, создав ультрабыстрый лазер-осциллятор на тонком диске с рекордной средней мощностью 550 Вт. Что это значит и почему так важно? Давайте разберемся.

В отличие от привычных нам лазерных указок, генерирующих непрерывный луч, ультрабыстрые лазеры испускают короткие, но невероятно мощные импульсы света. Представьте себе вспышку фотоаппарата, сжатую в миллиарды раз! Такие импульсы, длительностью всего 852 фемтосекунды (фемтосекунда — это миллионная доля миллиардной доли секунды), открывают двери в мир сверхбыстрых процессов, позволяя ученым буквально заглянуть внутрь молекул и атомов.

Сердцем нового лазера является тонкий диск из иттербий-иттрий-алюминиевого граната (Yb:YAG), толщиной всего 100 микрон. Этот диск, подобно миниатюрному зеркалу, многократно отражает лазерный луч, позволяя накапливать энергию и генерировать мощные импульсы. Ключевым элементом, обеспечивающим ультрабыстрый режим работы, является полупроводниковое насыщаемое поглощающее зеркало (SESAM). Этот компонент, подобно затвору фотоаппарата, выпускает накопленную энергию в виде коротких импульсов.

Главное достижение ученых заключается в беспрецедентном масштабировании мощности. 550 Вт — это новый рекорд для лазеров-осцилляторов подобного типа. Более того, новый лазер генерирует импульсы с энергией 100 микроджоулей и пиковой мощностью 103 мегаватт, что также является рекордным показателем. Все это достигается с высокой оптико-оптической эффективностью 35%.

Секрет успеха кроется в нескольких инновациях. Во-первых, ученые разработали новую многопроходную конструкцию резонатора, которая обеспечивает эффективное использование энергии накачки и минимизирует искажения лазерного луча. Во-вторых, были усовершенствованы технологии изготовления SESAM, позволяющие достичь высокой стабильности и устойчивости к повреждениям.

Новый лазер открывает широкие перспективы для фундаментальных исследований и прикладных задач. В частности, он может быть использован для генерации высокочастотных гармоник и аттосекундных импульсов, что позволит изучать динамику электронов в атомах и молекулах с беспрецедентной точностью. Кроме того, высокая мощность и короткие импульсы делают новый лазер перспективным инструментом для микрообработки материалов, например, для создания микроскопических структур на поверхности металлов, стекол и полупроводников.

Этот прорыв — еще один шаг на пути к освоению света и его применения для решения сложных научных и технологических задач. Исследования в области лазеров продолжаются, и можно ожидать новых впечатляющих достижений в ближайшем будущем.