Neue Technologie kombiniert Faserlaser unterschiedlicher Wellenlänge, um ultrakurze Laserimpulse zu erzeugen

Kürzlich kündigte eine Gruppe von Forschern der Abteilung Accelerator Technology and Applied Physics (ATAP) des Berkeley Lab die Entwicklung einer neuen Technik an, mit der Faserlaser unterschiedlicher Wellenlänge kombiniert werden können, um ultrakurze Laserimpulse zu erzeugen.
Diese Arbeit könnte die Entwicklung von Laser-Plasma-Gaspedalen (LPAs) vorantreiben, die das Potenzial haben, die Grenzen der Hochenergiephysik zu verschieben und Entdeckungen in den Materialwissenschaften, der Fusionsforschung und vielen anderen Bereichen zu ermöglichen.
Laser-Plasma-Gaspedale (LPAs) verwenden intensive Impulse ultraschnellen Laserlichts, um geladene Teilchen mit Geschwindigkeiten, die bis zu 1,{1} Mal schneller sind als die aktuelle Technologie, durch ein Plasma zu beschleunigen, was die Entwicklung von Maschinen ermöglicht, die kompakter und leistungsstärker sind herkömmliche Gaspedale und kostengünstiger in Bau und Betrieb.
Derzeit verwenden die meisten Laser-Plasma-Gaspedale (LPAs) Laserimpulse mit Wiederholfrequenzen von nur wenigen Hertz (Hz). Um das volle Potenzial von LPAs auszuschöpfen, sind jedoch Hochleistungslasersysteme erforderlich, die in der Lage sind, ultrakurze, hochenergetische Laserimpulse mit Folgefrequenzen von kHz oder höher zu erzeugen.
Diese Einschränkungen stellen sehr hohe Anforderungen an die Lasersysteme, die solche Impulse erzeugen. Daher wandte sich die Forscherin den Faserlasern zu, die ihrer Meinung nach „die mit Abstand effizienteste Hochleistungslasertechnologie sind und zudem über umfangreiche industrielle Entwicklungen verfügen, die für unsere Arbeit genutzt werden können“.
Während die Energie und Leistung der von Faserlasern erzeugten Impulse durch die räumliche und zeitliche Kombination mehrerer Impulse verstärkt werden kann, sind diese Impulse derzeit auf etwa 100 Femtosekunden (fs) begrenzt, was nicht ausreicht, um Laser-Plasma-Gaspedale (LPAs) anzutreiben.
Forschungswissenschaftler am BELLA Center, Teil von ATAP, erklären: „Während Faserlasersysteme die höchsten elektrooptischen Leistungseffizienzen bieten, wird das Spektrum ultrakurzer Laserimpulse, die in diesen Systemen verstärkt werden, schmaler.“
„Wenn Laserpulse auf diese Weise verstärkt werden, ist die Verstärkungsverringerung ein grundlegender Effekt; je schmaler das Spektrum des Pulses, desto länger die Dauer. Daher ist es für Hochleistungsfaserlaser eine große Herausforderung, Pulse zu erzeugen, die kürzer als 100 sind Sekunden.“
Durch die spektrale Kombination mehrerer Laserimpulse, die in benachbarten Wellenlängenbereichen arbeiten, erreichte das Team (einschließlich Qiang Du von Engineering sowie Dan Wang und Russell Wilcox von ATAP) jedoch ein ultrabreites kombiniertes Spektrum, das sehr kurze Impulse von mehreren zehn Sekunden unterstützen kann.
Um die Bandbreite zu erhöhen und Impulse von mehreren zehn Sekunden Länge zu erzeugen, verwendeten die Forscher zunächst einen modengekoppelten Oszillator und einen Ytterbium-dotierten Faserverstärker (YDFA), um Impulse von 120- Sekunden mit einer Wiederholungsrate von 100 MHz zu erzeugen. Sie wurden in eine photonische Kristallfaser geschickt und das Spektrum dieser Laserpulse erweiterte sich von 27 Nanometer (nm) auf 90 nm.
Anschließend verwendeten sie einen dichroitischen Spiegel, der es ermöglicht, die Laserpulse ohne nennenswerten Intensitätsverlust zu trennen oder zu kombinieren und so die Pulse spektral aufzuspalten. Anschließend wurden sie an zwei Pulsformer geschickt, um die Intensität und Phase der jeweiligen Pulsspektren zu formen. Wenn die reflektierten Impulse an den ersten Former gesendet werden, werden die emittierten Impulse durch den YDFA verstärkt, die Impulse werden durch den zweiten Former geformt und durch einen weiteren dichroitischen Spiegel weiter aufgespalten. Die drei gechirpten Impulse des Faserlasers werden dann mithilfe zusätzlicher dichroitischer Spiegel verstärkt und wieder kombiniert.
Dieses ultrabreitbandige Spektrum in Kombination mit synthetischer Pulsformung erzeugt Pulse mit einer Dauer von nur 42 Sekunden, was viel kürzer ist als die Pulse, die von den drei Faserkanälen erzeugt werden. Nach Angaben des Teams ist dies die kürzeste Pulslaserdauer, die mit einem spektral kombinierten Ytterbium-Faserlasersystem erzielt wird.
Während diese Arbeit bisher ultraschnelle Pulse bei niedrigen Energien demonstriert hat, zeigt sie die Schlüsselprinzipien der Ultrabreitband-Spektralkombination und der kohärenten Spektralsynthese-Pulsformung und stellt einen Durchbruch bei der Verwendung von Faserlasern zum Antrieb von Laser-Plasma-Gaspedalen (LPAs) dar. Für die Zukunft plant das Team, weitere Verstärkungsstufen hinzuzufügen und mehrdimensionale Techniken zu implementieren, mit denen Faserlaser räumlich, zeitlich und spektral kombiniert werden können, um hochenergetische Laserimpulse im Zehnersekundenbereich zu erzeugen.