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

Пост опубликован в блогах iXBT.com, его автор не имеет отношения к редакции iXBT.com
| Мнение | Наука и космос

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.

Лазер, иллюстрация
Автор: ИИ Copilot Designer//DALL·E 3 Источник: www.bing.com

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.

Конструкция лазерного резонатора. Траектория луча показана на (a), где оттенком синего обозначена высота над оптическим столом луча. Зеркала в зеркальном массиве пронумерованы в последовательности попаданий, если траектория начинается от выходного соединителя. Для простоты показаны не все плоские складывающиеся зеркала. Почти все зеркала имеют отрицательную дисперсию со значениями -550fs2, -1200fs2, -1300fs2 или -2000fs2 групповой дисперсии задержки (GDD). Некоторые зеркала (на схеме обозначены двумя треугольниками с обратной стороны) моторизованы пьезоприводами для автоматической юстировки проходов лазера на диске. Первый сегмент, а также телескоп к SESAM окрашены в зеленый и оранжевый цвета, соответственно, что соответствует затененному цвету на (b), где показана эволюция радиуса лазерной моды во всем резонаторе. Показаны три различные точки мощности, параметризованные изменением температуры диска. Номинальный режим холодного резонатора показан синим цветом, а моделирование режима резонатора для более горячих дисков — фиолетовым и красным.
Автор: Moritz Seidel, Lukas Lang, Christopher R. Phillips, and Ursula Keller, «Ultrafast 550-W average-power thin-disk laser oscillator,» Optica 11, 1368-1375 (2024) CC-BY 4.0 Источник: opg.optica.org

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.

SESAM, использованный для получения данного результата. (a) Схема производственного процесса с макроснимками склеенного SESAM, показывающими интерфейс склеивания 10 мм x 10 мм и увеличение двух дефектов в безупречном в остальном соединении. (b) Структура слоев разработанного SESAM с увеличением верхней области выращенной структуры. Показаны GaAs (темно-серый), AlGaAsP (светло-серый, 2% галлия и 1% фосфора), квантовые ямы InGaAs (светло-красный, содержание индия оптимизировано для края поглощения при 1060 нм) и соединенный сапфир (светло-синий). Показатель преломления показан сплошным синим цветом, а рассчитанное постоянное электрическое поле — красным при 1030 нм (нормировано на четыре вне структуры и сапфира). (c) Интерферометрическое изображение приклеенного и установленного SESAM со средним остаточным радиусом кривизны (ROC) 41 м (измерено при 632 нм через сапфир).
Автор: Moritz Seidel, Lukas Lang, Christopher R. Phillips, and Ursula Keller, «Ultrafast 550-W average-power thin-disk laser oscillator,» Optica 11, 1368-1375 (2024) CC-BY 4.0 Источник: opg.optica.org

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.

3 комментария

Добавить комментарий

1
852 фемтосекунды — и где тут про «аттосекундную физику»??? Ау! :)))
100092539841438928256@google
Не знаю кто, либо афтер, либо редактер, но если вы вставляете картинки ИИ, лучше всего вам сменить профессию.
Лучше ixbt, забанить к чертям. Ведь он несёт одно унылое Г.
Имхо
A
Зачем короткие импульсы для создания микроструктур? Для этого нужна короткая длина волны

Добавить комментарий

Сейчас на главной

Новости

Публикации

Феномен «Мёртвая вода»: почему корабли теряют ход в абсолютно спокойном море

В августе 1893 года норвежский полярник Фритьоф Нансен опешил: его шхуна «Фрам» шла вдоль северных берегов Сибири, море вокруг напоминало идеальное зеркало, а паровой двигатель ревел на...

Почему на Транссибе до сих пор используются деревянные шпалы, пропитанные креозотом?

Путешествие по Транссибирской магистрали всегда сопровождается особым ритмом и узнаваемыми ощущениями. Стук колес, мелькание бескрайней тайги за окном и специфический, слегка резковатый запах,...

Физика горизонта событий: получена первая спектральная карта черной дыры M87*

Исторический релиз Телескопа горизонта событий 2019 года показал дебютный снимок объекта M87*. На кадрах из удаленной эллиптической системы проступило замкнутое излучающее кольцо, окаймляющее...

Ученые создали одежду из живых грибов, способную к самоочищению и биологическому ремонту

Синтетические ткани наносят существенный урон окружающей среде. Производство полиэстера и нейлона основано на переработке нефти, процессы их окрашивания требуют применения токсичных химикатов, а...

✦ ИИ  Что посадить после уборки лука и чеснока, чтобы грядка не пустовала

После уборки чеснока на огороде неожиданно появляется свободное место. Оставлять землю пустой вроде бы жалко: лето ещё не закончилось, почва тёплая, да и до первых холодов остаётся несколько...