เทคโนโลยีใหม่ผสมผสานไฟเบอร์เลเซอร์ที่มีความยาวคลื่นต่างกันเพื่อผลิตพัลส์เลเซอร์ที่สั้นมาก

เมื่อเร็ว ๆ นี้ กลุ่มนักวิจัยจากแผนก Accelerator Technology และ Applied Physics (ATAP) ของ Berkeley Lab ประกาศการพัฒนาเทคนิคใหม่ที่สามารถรวมไฟเบอร์เลเซอร์ที่มีความยาวคลื่นต่างกันเพื่อผลิตพัลส์เลเซอร์ที่สั้นมาก
งานนี้สามารถพัฒนาความก้าวหน้าของเลเซอร์พลาสมาแก๊สเพเดิล (LPAs) ซึ่งมีศักยภาพในการผลักดันพรมแดนของฟิสิกส์พลังงานสูงและช่วยให้สามารถค้นพบในด้านวัสดุศาสตร์ การวิจัยฟิวชัน และสาขาอื่นๆ อีกมากมาย
เลเซอร์พลาสมาแก๊สเพดเดิล (LPA) ใช้พัลส์ของแสงเลเซอร์ที่เร็วมากเพื่อเร่งอนุภาคที่มีประจุผ่านพลาสมาด้วยความเร็วที่เร็วกว่าเทคโนโลยีในปัจจุบันถึง 1,000 เท่า ทำให้สามารถสร้างเครื่องจักรที่มีขนาดกะทัดรัดและมีประสิทธิภาพมากกว่า แป้นคันเร่งธรรมดาและราคาไม่แพงในการสร้างและใช้งาน
ปัจจุบัน เลเซอร์พลาสมาแก๊สเพเดิล (LPA) ส่วนใหญ่ใช้พัลส์เลเซอร์ที่มีความถี่การทำซ้ำเพียงไม่กี่เฮิรตซ์ (Hz) อย่างไรก็ตาม การตระหนักถึงศักยภาพสูงสุดของ LPA นั้นต้องการระบบเลเซอร์กำลังสูงที่สามารถสร้างพัลส์เลเซอร์พลังงานสูงแบบสั้นเกินขีดที่ความถี่การทำซ้ำที่ kHz หรือสูงกว่า
ข้อจำกัดเหล่านี้ทำให้เกิดความต้องการที่สูงมากในระบบเลเซอร์ที่สร้างพัลส์ดังกล่าว ด้วยเหตุนี้ นักวิจัยจึงหันมาใช้ไฟเบอร์เลเซอร์ ซึ่งเธอกล่าวว่าเป็น "เทคโนโลยีเลเซอร์กำลังสูงที่มีประสิทธิภาพสูงสุดเท่าที่เคยมีมา และยังมีการพัฒนาอุตสาหกรรมที่กว้างขวางซึ่งสามารถนำมาใช้ในงานของเราได้"
แม้ว่าพลังงานและกำลังของพัลส์ที่สร้างโดยไฟเบอร์เลเซอร์สามารถขยายได้โดยการรวมพัลส์หลายตัวในอวกาศและเวลา ปัจจุบันพัลส์เหล่านี้ถูกจำกัดไว้ที่ประมาณ 100 เฟมโตวินาที (fs) ซึ่งไม่เพียงพอที่จะขับเคลื่อนเลเซอร์พลาสมาแก๊สเพเดิล (LPA)
นักวิทยาศาสตร์การวิจัยที่ BELLA Center ซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของ ATAP อธิบายว่า "ในขณะที่ระบบไฟเบอร์เลเซอร์ให้ประสิทธิภาพพลังงานไฟฟ้าและออปติคอลสูงสุด แต่สเปกตรัมของพัลส์เลเซอร์ที่สั้นเกินไปที่ขยายในระบบเหล่านี้จะแคบลง"
"เมื่อขยายพัลส์เลเซอร์ด้วยวิธีนี้ การจำกัดอัตรากำไรให้แคบลงเป็นผลพื้นฐาน ยิ่งสเปกตรัมของพัลส์แคบลง ระยะเวลาก็จะยิ่งนานขึ้น ด้วยเหตุนี้ จึงเป็นเรื่องยากมากสำหรับเลเซอร์ไฟเบอร์กำลังสูงในการสร้างพัลส์ที่สั้นกว่า 100 วินาที"
อย่างไรก็ตาม ด้วยการรวมพัลส์เลเซอร์หลายตัวที่ทำงานในช่วงความยาวคลื่นใกล้เคียงกันในเชิงสเปกตรัม ทีมงาน (รวมถึง Qiang Du จาก Engineering และ Dan Wang และ Russell Wilcox จาก ATAP) บรรลุสเปกตรัมรวมที่กว้างเป็นพิเศษซึ่งสามารถรองรับพัลส์สั้น ๆ หลายสิบวินาทีได้
ในการเพิ่มแบนด์วิธและสร้างพัลส์ที่มีความยาวหลายสิบวินาที นักวิจัยได้ใช้ออสซิลเลเตอร์ที่ล็อกโหมดและเครื่องขยายสัญญาณไฟเบอร์เจืออิตเทอร์เบียม (YDFA) เพื่อสร้าง 120-พัลส์วินาทีที่อัตราการเกิดซ้ำที่ 100 MHz พวกเขาถูกส่งเข้าไปในเส้นใยคริสตัลโทนิค และสเปกตรัมของพัลส์เลเซอร์เหล่านี้ขยายจาก 27 นาโนเมตร (นาโนเมตร) เป็น 90 นาโนเมตร
จากนั้นพวกเขาใช้กระจกไดโครอิกซึ่งช่วยให้สามารถแยกหรือรวมพัลส์เลเซอร์ได้โดยไม่สูญเสียความเข้มอย่างมีนัยสำคัญ ดังนั้นจึงแยกพัลส์ออกเป็นสเปกตรัม จากนั้นพวกเขาจะถูกส่งไปยังเครื่องสร้างพัลส์สองตัวเพื่อกำหนดความเข้มและเฟสของสเปกตรัมพัลส์ตามลำดับ เมื่อพัลส์ที่สะท้อนถูกส่งไปยัง Shaper ตัวแรก พัลส์ที่ปล่อยออกมาจะถูกขยายโดย YDFA พัลส์จะถูกสร้างขึ้นโดย Shaper ตัวที่สอง และแยกเพิ่มเติมโดยกระจกไดโครอิกอีกอันหนึ่ง พัลส์ที่ส่งเสียงร้องสามตัวจากไฟเบอร์เลเซอร์จะถูกขยายและรวมกันใหม่โดยใช้กระจกไดโครอิกเพิ่มเติม
สเปกตรัมอัลตร้าบรอดแบนด์นี้รวมกับการสร้างพัลส์สังเคราะห์สร้างพัลส์ที่มีระยะเวลาเพียง 42 วินาที ซึ่งสั้นกว่าพัลส์ที่ผลิตโดยช่องสัญญาณไฟเบอร์สามช่องมาก ทีมงานระบุว่านี่คือระยะเวลาเลเซอร์พัลส์ที่สั้นที่สุดที่ได้จากระบบเลเซอร์ไฟเบอร์อิตเทอร์เบียมที่รวมสเปกตรัม
แม้ว่างานนี้ได้แสดงให้เห็นถึงพัลส์ที่เร็วเป็นพิเศษที่พลังงานต่ำจนถึงตอนนี้ แต่ก็แสดงให้เห็นหลักการสำคัญของการรวมสเปกตรัมย่านความถี่กว้างพิเศษและการสร้างพัลส์การสังเคราะห์สเปกตรัมที่สอดคล้องกัน และนำเสนอความก้าวหน้าในการใช้ไฟเบอร์เลเซอร์เพื่อขับเคลื่อนเลเซอร์พลาสมาแก๊สเดิ้ล (LPAs) ในอนาคต ทีมงานวางแผนที่จะเพิ่มขั้นตอนการขยายสัญญาณและใช้เทคนิคหลายมิติที่สามารถรวมไฟเบอร์เลเซอร์ในเชิงพื้นที่ ชั่วขณะ และเชิงสเปกตรัมเพื่อสร้างพัลส์เลเซอร์พลังงานสูงหลายสิบวินาที