นักฟิสิกส์สองคนที่ RIKEN ค้นพบพัลส์เลเซอร์ที่สั้นมากด้วยกำลังสูงสุด 6 เทราวัตต์ (6 ล้านล้านวัตต์) ซึ่งเทียบเท่ากับพลังงานที่สร้างโดยโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ 6,{4}} แห่งโดยประมาณ ความสำเร็จดังกล่าวจะนำไปสู่การพัฒนาเลเซอร์ระดับ attosecond ต่อไป ทำให้นักวิจัยทั้งสามคนได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ประจำปี 2023 การศึกษานี้ตีพิมพ์ในวารสาร Nature Photonics
เช่นเดียวกับแฟลชกล้องที่สามารถ "หยุด" วัตถุที่เคลื่อนที่เร็วเพื่อให้ปรากฏราวกับว่าพวกมันกำลังยืนอยู่กับที่ในภาพถ่าย พัลส์เลเซอร์ที่สั้นมากสามารถช่วยส่องสว่างกระบวนการที่เร็วมาก ทำให้นักวิทยาศาสตร์มีวิธีที่มีประสิทธิภาพในการถ่ายภาพและตรวจจับพวกมัน
ตัวอย่างเช่น พัลส์เลเซอร์ที่มีลำดับเป็นแอตโตวินาที (1 แอตโตวินาที=10-18 วินาที) นั้นสั้นมากจนสามารถเปิดเผยการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนในอะตอมและโมเลกุลได้ ถือเป็นวิธีใหม่ในการค้นพบวิวัฒนาการของปฏิกิริยาทางเคมีและชีวเคมี แม้แต่แสงก็ดูเหมือนจะสามารถคลานในช่วงเวลาอันสั้นเช่นนี้ได้ โดยใช้เวลาประมาณ 3 อาร์เซคในการผ่านนาโนเมตร
Eiji Takahashi จากศูนย์ Advanced Photonics (RAP) ของ RIKEN กล่าวว่า "ด้วยการจับการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอน เลเซอร์ระดับ attosecond มีส่วนสำคัญต่อวิทยาศาสตร์ขั้นพื้นฐาน และคาดว่าจะมีการใช้งานในหลากหลายสาขา รวมถึงการสังเกตด้วย ของเซลล์ชีวภาพ การพัฒนาวัสดุใหม่ๆ และการวินิจฉัยโรค"
มีอิทธิพลมากขึ้น
อย่างไรก็ตาม แม้ว่าจะสามารถสร้างพัลส์เลเซอร์ที่สั้นเกินขีดได้ แต่ก็ขาดแรงกระแทกและมีพลังงานต่ำ การสร้างพัลส์เลเซอร์พลังงานสูงที่สั้นมากจะช่วยขยายการใช้งานที่เป็นไปได้อย่างมาก Eiji Takahashi กล่าว: "พลังงานเอาท์พุตในปัจจุบันของเลเซอร์อัตโตวินาทีนั้นต่ำมาก ดังนั้น การเพิ่มพลังงานเอาท์พุตของพวกมันจึงมีความสำคัญหากต้องใช้เป็นแหล่งกำเนิดแสงใน หลากหลายสาขา"
เช่นเดียวกับที่ใช้เครื่องขยายเสียงเพื่อเพิ่มสัญญาณเสียง นักฟิสิกส์เลเซอร์ใช้เครื่องขยายเสียงแบบออปติคัลเพื่อเพิ่มพลังงานของพัลส์เลเซอร์ โดยทั่วไปแล้วแอมพลิฟายเออร์เหล่านี้จะใช้คริสตัลไม่เชิงเส้นที่ตอบสนองต่อแสงโดยเฉพาะ อย่างไรก็ตาม หากใช้คริสตัลเหล่านี้ในการขยายพัลส์เลเซอร์รอบเดียว พวกมันอาจได้รับความเสียหายอย่างไม่สามารถแก้ไขได้ พัลส์เลเซอร์แบบรอบเดียวนั้นสั้นมากจนพัลส์สิ้นสุดลงก่อนที่แสงจะแกว่งไปมาจนเต็มความยาวคลื่น
ปัญหาคอขวดที่ใหญ่ที่สุดในการพัฒนาแหล่งเลเซอร์อินฟราเรดความเร็วสูงพิเศษพลังงานสูงและขาดวิธีการที่มีประสิทธิภาพในการขยายพัลส์เลเซอร์รอบเดียวโดยตรง" Eiji Takahashi กล่าว คอขวดนี้ส่งผลให้เกิดอุปสรรค 1- มิลลิจูลสำหรับการวัดเดี่ยว - วงจรพลังงานชีพจรเลเซอร์”
การตั้งค่าบันทึกใหม่
อย่างไรก็ตาม คอขวดนี้ได้ถูกทำลายลงแล้ว พวกเขาได้ขยายพัลส์รอบเดียวเป็นมากกว่า 50 มิลลิจูล มากกว่า 50 เท่าของผลลัพธ์ที่ดีที่สุดก่อนหน้านี้ เนื่องจากพัลส์เลเซอร์ที่เกิดขึ้นนั้นสั้นมาก พลังงานนี้จึงแปลงเป็นพลังงานสูงอย่างไม่น่าเชื่อเพียงไม่กี่เทราวัตต์
ทาคาฮาชิกล่าวว่า "เราได้สาธิตวิธีการเอาชนะปัญหาคอขวดด้วยการสร้างวิธีการที่มีประสิทธิภาพในการขยายพัลส์เลเซอร์รอบเดียว"
วิธีการของพวกเขาเรียกว่า Advanced doublely chirped optical parametric amplification (DC-OPA) นั้นง่ายมาก และเกี่ยวข้องกับคริสตัลเพียง 2 ชิ้นเท่านั้นที่จะขยายขอบเขตเสริมของสเปกตรัม
ทาคาฮาชิกล่าวว่า "DC-OPA ขั้นสูงสำหรับการขยายพัลส์เลเซอร์รอบเดียวนั้นง่ายมากจนต้องใช้คริสตัลไม่เชิงเส้นสองชนิดมารวมกัน รู้สึกเหมือนเป็นไอเดียที่ใครๆ ก็คิดขึ้นมาได้ ฉันประหลาดใจที่แนวคิดง่ายๆ ดังกล่าวให้ เทคนิคการขยายสัญญาณแบบใหม่และความก้าวหน้าในการพัฒนาเลเซอร์อัลตราฟาสต์พลังงานสูงที่มีพลังงานสูง"
ที่สำคัญ DC-OPA ขั้นสูงทำงานในช่วงความยาวคลื่นที่กว้างมาก ทีมงานสามารถขยายพัลส์ที่มีความยาวคลื่นต่างกันมากกว่าสองเท่าของความยาวคลื่น ทาคาฮาชิกล่าวว่า "วิธีการใหม่นี้มีคุณสมบัติการปฏิวัติที่แบนด์วิดธ์การขยายช่วยให้สามารถส่งออกความถี่กว้างพิเศษได้ โดยไม่ส่งผลกระทบต่อลักษณะการปรับขนาดพลังงานเอาต์พุต"
เทคนิคการขยายเสียงแบบใหม่
เทคนิคของพวกเขาแตกต่างจากเทคนิคการขยายสัญญาณพัลส์ด้วยแสงอีกวิธีหนึ่งที่เรียกว่า "chirped-pulse amplification" ซึ่งนักวิจัยสามคนจากสหรัฐอเมริกา ฝรั่งเศส และแคนาดาได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ในปี 2018 เลเซอร์เป็นหนึ่งในเทคโนโลยีที่ขับเคลื่อนการพัฒนา ของเลเซอร์
ทาคาฮาชิคาดหวังว่าเทคโนโลยีของพวกเขาจะก้าวหน้าต่อไปในการพัฒนาเลเซอร์ attosecond: "เราได้พัฒนาวิธีการขยายเลเซอร์แบบใหม่ที่สามารถเพิ่มความเข้มของพัลส์เลเซอร์รอบเดียวให้เป็นกำลังสูงสุดเทราวัตต์" เขากล่าว "และไม่ต้องสงสัยเลย ว่านี่คือก้าวกระโดดครั้งสำคัญในการพัฒนาเลเซอร์อัตโตวินาทีกำลังสูง"
ในระยะยาว เป้าหมายของเขาคือการก้าวไปไกลกว่าเลเซอร์ระดับ attosecond และสร้างพัลส์ที่สั้นลงอีก
