رکوردشکنی یک نوسان‌ساز لیزری

 پژوهشگران موسسه ETH زوریخ سوئیس یک نوسان‌ساز لیزری ساخته‌اند که قدرتمندترین پالس‌های لیزری فوق‌کوتاه را تولید می‌کند.

نوسان‌ساز(Oscillator) یک مدار الکتریکی است که سیگنال تکرارشونده(نوسانی)، اغلب یک موج سینوسی یا مربعی تولید می‌کند.

پالس‌های لیزری کمتر از ۱۰ تا ۱۲ ثانیه دوام دارند. با این حال به طور متوسط، آنها ۵۵۰ وات توان دارند و حداکثر توان خروجی آنها به ۱۰۰ مگاوات می‌رسد که برای تامین انرژی همزمان صدها هزار جاروبرقی برای مدت کوتاهی کافی است.

محققان می‌گویند پالس‌های لیزری کنونی بیش از ۵۰ درصد از رکورد قبلی فراتر رفته‌اند که بالاترین میانگین توان و بالاترین انرژی پالسی است که تا به حال برای هر نوسان‌ساز به دست آمده است.

این پالس‌های بسیار قوی و کوتاه‌مدت می‌توانند برای انجام کارهای پیچیده مانند پردازش مواد، جراحی‌های پزشکی و اندازه‌گیری‌های دقیق مورد استفاده قرار گیرند. همچنین آنها می‌توانند به توسعه ساعت‌های اتمی دقیق‌تر منجر شوند.

آینه‌ها پالس‌های لیزر قوی ایجاد می‌کنند

دستگاه‌هایی که پرتوهای لیزری پیوسته را تولید و شلیک می‌کنند، رایج‌تر هستند، زیرا با استفاده از یک منبع انرژی پایدار و سیستم بازخورد، ساطع شدن نور به‌ طور پیوسته آسان‌تر است.

با این حال، تولید پالس‌های لیزری کوتاه فرآیند بسیار پیچیده‌تری است. این به این دلیل است که به تکنیک‌های پیشرفته‌ای مانند «کیو سوئیچینگ»(Q-switching) یا قفل کردن حالت برای آزاد کردن انرژی در فواصل متوالی، نیاز به تجهیزات تخصصی و کنترل دقیق نیاز دارد.

محققان در طول مطالعه خود از نوعی نوسان‌ساز لیزری به نام «لیزر دیسکی پالس کوتاه» استفاده کردند که تکنیک‌های ذکر شده در بالا را در خود جای داده است.

اولین کار، تقویت نور درون این لیزر بدون ناپایدار کردن آن بود. برای این کار از چیدمان خاصی از آینه‌ها استفاده شد. این آینه‌ها باعث می‌شوند نور قبل از اینکه بتواند پرتوی لیزر را از طریق آینه دیگری خارج کند، چندین بار از دیسک عبور کند.

هنگامی که نور تقویت شد، چالش بعدی تبدیل آن به پالس‌های لیزری قدرتمند و کوتاه بود. برای این منظور از آینه مخصوصی به نام «آینه جاذب قابل اشباع نیمه رسانا(SESAM) استفاده کردند که در اصل ۳۰ سال پیش توسط اورسولا کلر(Ursula Keller) که یکی از نویسندگان این مطالعه و استاد فیزیک در ETH زوریخ است، توسعه یافته بود.

لیزرهای معمولی از تقویت کننده‌ها برای ایجاد پالس استفاده می‌کنند، اما این فرآیند ناکارآمد است، چرا که نویز تولید می‌کند و منجر به خروجی توان ناپایدار می‌شود. اما محققان با SESAM بر همه این چالش‌ها غلبه کردند و نور لیزر را به طور موثر به پالس‌های قدرتمند تبدیل کردند.

موریتز سیدل(Moritz Seidel) محقق ارشد و دانشجوی دکترا در ETH زوریخ می‌گوید: زمانی که سرانجام کار کرد و ما مشاهده کردیم که لیزر چگونه پالس ایجاد می‌کند، واقعاً جالب بود.

روشی جدید برای تولید پالس‌ها

مطالعه حاضر بسیاری از چالش‌های مرتبط با تولید پالس‌های لیزری فوق کوتاه قدرتمند را حل می‌کند.

به عنوان مثال سیدل می‌گوید: تاکنون پالس‌هایی با قدرت‌های قابل مقایسه با توان‌هایی که اکنون به دست آورده‌ایم، تنها با ارسال پالس‌های لیزر ضعیف‌تر از طریق چندین تقویت‌کننده مجزا به خارج از لیزر به دست می‌آیند.

یافته‌های این مطالعه نشان می‌دهد که نوسان‌سازهای لیزری همراه با آینه‌های مبتنی بر مواد نیمه‌رسانا مانند SESAM می‌توانند به عنوان یک جایگزین عالی برای تقویت‌کننده‌ها عمل کنند. آنها تولید پالس لیزری کنترل شده، دقیق و قدرتمند را ارائه می‌دهند.

پالس‌های لیزری فوق کوتاه می‌توانند برای کاربردهای مختلفی از جمله جراحی‌های لیزیک چشم گرفته تا سیستم‌های محاسباتی کوانتومی نوری و ایجاد ریزساختارهای پیچیده در فلزات مفید باشند.

کلر در پایان با هیجان زدگی از نتایج این تحقیق گفت: ما اکنون انتظار داریم که بتوانیم این پالس‌ها را به طور بسیار موثر کوتاه کنیم که برای ایجاد پالس‌های آتوثانیه‌ای(۱۰ به توان منفی ۱۸ ثانیه) بسیار مهم است.

این مطالعه در مجله Optica منتشر شده است.