Ennätyksiä rikkovia laserpulsseja

Erittäin lyhyitä ja voimakkaita laservalopulsseja voidaan käyttää materiaalien koneistamiseen tai korkeiden harmonisten taajuuksien luomiseen aina röntgensäteisiin asti, mikä voi auttaa saamaan näkyviin erittäin nopeat prosessit attosekuntien alueella.

ETH Zürichin tutkijaryhmä, jota johtaa Kvanttielektroniikan instituutin professori Ursula Keller, on nyt tehnyt uuden ennätyksen tällaisille laserpulsseille: 550 watin keskiteholla ne ylittävät aiemman maksimin yli 50 prosentilla, mikä tekee niistä voimakkaimmat laseroskillaattorin koskaan luomat pulssit.

Samalla ne ovat äärimmäisen lyhyitä – ne kestävät alle pikosekunnin – ja poistuvat laserista säännöllisessä järjestyksessä viiden miljoonan pulssin sekunnissa nopeudella. Lyhyet pulssit saavuttavat 100 megawatin huipputehon.

Kellerin tutkimusryhmä on viimeiset 25 vuotta työskennellyt niin sanottujen lyhytpulssilevylaserien jatkuvan parantamisen parissa, jossa lasermateriaali koostuu ohuesta, vain 100 mikrometrin paksuisesta ytterbiumatomeja sisältävästä kiteestä.

Toistuvasti Keller ja hänen työtoverinsa kohtasivat uusia ongelmia, jotka alun perin estivät tehon lisäämistä. Melko usein tapahtui näyttäviä tapauksia, joissa laserin sisällä olevat eri osat tuhoutuivat. Ongelmien ratkaiseminen johti uusiin oivalluksiin, jotka tekivät myös teollisissa sovelluksissa suosituista lyhytpulssilasereista luotettavampia.

"Nyt saavuttamamme vieläkin suuremman tehon ja 5,5 megahertsin pulssin yhdistelmä perustuu kahteen innovaatioon", selittää Moritz Seidel, tohtoriopiskelija Kellerin laboratoriosta.

Ensinnäkin hän ja hänen kollegansa käyttivät erityistä peilijärjestelyä, joka lähettää laserin sisällä olevan valon levyn läpi useita kertoja ennen kuin se poistuu laserista kytkentäpeilin läpi. "Tämän järjestelyn avulla voimme vahvistaa valoa erittäin paljon ilman, että laser muuttuu epävakaaksi", Seidel sanoo.

Toinen innovaatio koskee pulssilaserin keskiosaa: puolijohdemateriaalista valmistettua erikoispeiliä, jonka Keller keksi jo kolmekymmentä vuotta sitten ja jonka lyhenne on mieleenpainuva SESAM (Semiconductor Saturable Absorber Mirror). Toisin kuin tavalliset peilit, SESAMin heijastavuus riippuu siihen osuvan valon voimakkuudesta.

Kellerin mukaan uuden laserin mahdollistamat nopeat ja voimakkaat pulssit voisivat nähdä sovelluksia myös uusissa ns. taajuuskammoissa ultravioletista röntgen kaistalle, mikä voisi johtaa entistä tarkempiin kelloihin.

"Unelma olisi osoittaa jonain päivänä, että luonnon vakiot eivät kuitenkaan ole vakioita", Keller haaveilee.

Aiheesta aiemmin:

Erittäin nopeat laserit erittäin pienillä siruilla

Femtosekunnin laseri lasista

Tehokkaita sirukokoisia näkyvän valon lasereita