La nova tecnologia combina làsers de fibra de diferents longituds d'ona per produir polsos làser ultracurts

Recentment, un grup d'investigadors de la divisió de tecnologia d'acceleració i física aplicada (ATAP) de Berkeley Lab va anunciar el desenvolupament d'una nova tècnica que pot combinar làsers de fibra de diferents longituds d'ona per produir polsos làser ultracurts.
Aquest treball podria avançar en el desenvolupament de pedals de gas de plasma làser (LPA), que tenen el potencial d'impulsar les fronteres de la física d'altes energies i permetre descobriments en la ciència dels materials, la investigació de la fusió i molts altres camps.
Els pedals de gas de plasma làser (LPA) utilitzen polsos intensos de llum làser ultra ràpida per accelerar les partícules carregades a través d'un plasma a velocitats fins a 1,000 vegades més ràpid que la tecnologia actual, permetent la creació de màquines més compactes i potents que pedals de gas convencionals, i menys costós de construir i operar.
Actualment, la majoria dels pedals de gas de plasma làser (LPA) utilitzen polsos làser amb freqüències de repetició de només uns quants hertzs ​​(Hz). Tanmateix, adonar-se de tot el potencial dels LPA requereix sistemes làser d'alta potència capaços de generar polsos làser ultracurts i d'alta energia a freqüències de repetició de kHz o més.
Aquestes limitacions posen requisits molt exigents als sistemes làser que generen aquests polsos. Com a resultat, la investigadora va recórrer als làsers de fibra, que diu que són ", amb diferència, la tecnologia làser d'alta potència més eficient i també tenen un ampli desenvolupament industrial que es pot aprofitar en el nostre treball".
Tot i que l'energia i la potència dels polsos generats pels làsers de fibra es poden amplificar combinant múltiples polsos en l'espai i el temps, actualment aquests polsos estan limitats a uns 100 femtosegons (fs), cosa que no és suficient per impulsar pedals de gas de plasma làser (LPA).
Científics investigadors del Centre BELLA, que forma part d'ATAP, expliquen: "Si bé els sistemes làser de fibra proporcionen les més altes eficiències d'energia electro-òptica, l'espectre de polsos làser ultracurts amplificats en aquests sistemes s'estreny".
"Quan els polsos làser s'amplifiquen d'aquesta manera, l'estrenyiment del guany és un efecte fonamental; com més estret és l'espectre del pols, més llarga serà la durada. Com a resultat, és molt difícil per als làsers de fibra d'alta potència generar polsos inferiors a 100. segons".
Tanmateix, combinant espectralment múltiples polsos làser que operen en rangs de longitud d'ona adjacents, l'equip (incloent-hi Qiang Du d'Enginyeria i Dan Wang i Russell Wilcox d'ATAP) va aconseguir un espectre combinat ultra ampli capaç de suportar polsos molt curts de desenes de segons.
Per augmentar l'amplada de banda i generar polsos de desenes de segons de durada, els investigadors van utilitzar primer un oscil·lador bloquejat en mode i un amplificador de fibra dopada amb iterbi (YDFA) per generar polsos 120-segons a una velocitat de repetició de 100 MHz. Es van enviar a una fibra de cristall fotònic i l'espectre d'aquests polsos làser es va expandir de 27 nanòmetres (nm) a 90 nm.
Després van utilitzar un mirall dicroic, que permet separar o combinar els polsos làser sense pèrdua important d'intensitat, dividint així els polsos espectralment. Després es van enviar a dos modeladors de pols per donar forma a la intensitat i la fase dels espectres de pols respectius. Quan els polsos reflectits s'envien al primer modelador, els polsos emesos són amplificats per l'YDFA, els polsos estan formats pel segon modelador i es divideixen encara més per un altre mirall dicroic. Els tres polsos xips del làser de fibra s'amplifiquen i es recombinen mitjançant miralls dicroics addicionals.
Aquest espectre de banda ultraample combinat amb la conformació de polsos sintètics produeix polsos amb una durada de només 42 segons, que és molt més curt que els polsos produïts pels tres canals de fibra. Segons l'equip, aquesta és la durada del làser de pols més curta obtinguda a partir d'un sistema làser de fibra d'iterbi combinat espectralment.
Tot i que aquest treball ha demostrat polsos ultra ràpids a baixes energies fins ara, mostra els principis clau de la combinació espectral de banda ultraampla i la conformació de polsos de síntesi espectral coherent, i proporciona un avenç en l'ús de làsers de fibra per conduir pedals de gas de plasma làser (LPA). En el futur, l'equip té previst afegir més etapes d'amplificació i implementar tècniques multidimensionals capaços de combinar làsers de fibra espacialment, temporalment i espectralment per generar desenes de segons de polsos làser d'alta energia.