Teknologi Baru Menggabungkan Laser Serat Dengan Panjang Gelombang Yang Berbeda Untuk Menghasilkan Pulsa Laser Ultrapendek

Baru-baru ini, sekelompok peneliti dari divisi Accelerator Technology and Applied Physics (ATAP) Berkeley Lab mengumumkan pengembangan teknik baru yang dapat menggabungkan laser serat dengan panjang gelombang berbeda untuk menghasilkan pulsa laser ultrashort.
Pekerjaan ini dapat memajukan pengembangan pedal gas plasma laser (LPA), yang berpotensi mendorong batas fisika energi tinggi dan memungkinkan penemuan dalam ilmu material, penelitian fusi, dan banyak bidang lainnya.
Pedal gas plasma laser (LPA) menggunakan denyut intens sinar laser ultracepat untuk mempercepat partikel bermuatan melalui plasma dengan kecepatan hingga 1,000 kali lebih cepat dari teknologi saat ini, memungkinkan terciptanya mesin yang lebih ringkas dan bertenaga daripada pedal gas konvensional, dan lebih murah untuk dibuat dan dioperasikan.
Saat ini, sebagian besar pedal gas plasma laser (LPA) menggunakan pulsa laser dengan frekuensi pengulangan hanya beberapa hertz (Hz). Namun, mewujudkan potensi penuh LPA memerlukan sistem laser berdaya tinggi yang mampu menghasilkan pulsa laser ultrapendek berenergi tinggi pada frekuensi pengulangan kHz atau lebih tinggi.
Keterbatasan ini menempatkan persyaratan yang sangat menuntut pada sistem laser yang menghasilkan pulsa tersebut. Akibatnya, peneliti beralih ke laser serat, yang katanya "sejauh ini merupakan teknologi laser berdaya tinggi yang paling efisien dan juga memiliki pengembangan industri yang luas yang dapat dimanfaatkan dalam pekerjaan kami."
Sementara energi dan kekuatan pulsa yang dihasilkan oleh laser serat dapat diperkuat dengan menggabungkan beberapa pulsa dalam ruang dan waktu, pulsa ini saat ini dibatasi hingga sekitar 100 femtosekon (fs), yang tidak cukup untuk menggerakkan pedal gas plasma laser (LPA).
Ilmuwan riset di BELLA Center, bagian dari ATAP, menjelaskan, "Sementara sistem laser serat memberikan efisiensi daya elektro-optik tertinggi - spektrum pulsa laser ultrapendek yang diperkuat dalam sistem ini menyempit."
"Ketika pulsa laser diamplifikasi dengan cara ini, penyempitan gain adalah efek mendasar; semakin sempit spektrum pulsa, semakin lama durasinya. Akibatnya, sangat sulit bagi laser serat berdaya tinggi untuk menghasilkan pulsa yang lebih pendek dari 100 detik."
Namun, dengan menggabungkan beberapa pulsa laser secara spektral yang beroperasi dalam rentang panjang gelombang yang berdekatan, tim (termasuk Qiang Du dari Teknik dan Dan Wang dan Russell Wilcox dari ATAP) mencapai spektrum gabungan ultra-lebar yang mampu mendukung pulsa yang sangat pendek dalam hitungan puluhan detik.
Untuk meningkatkan lebar pita dan menghasilkan pulsa berdurasi puluhan detik, pertama-tama para peneliti menggunakan osilator yang dikunci mode dan penguat serat yang didoping ytterbium (YDFA) untuk menghasilkan 120-pulsa kedua pada kecepatan pengulangan 100 MHz. Mereka dikirim ke serat kristal fotonik, dan spektrum pulsa laser ini diperluas dari 27 nanometer (nm) menjadi 90 nm.
Mereka kemudian menggunakan cermin dichroic, yang memungkinkan pulsa laser dipisahkan atau digabungkan tanpa kehilangan intensitas yang signifikan, sehingga memisahkan pulsa secara spektral. Mereka kemudian dikirim ke dua pembentuk pulsa untuk membentuk intensitas dan fase dari masing-masing spektrum pulsa. Ketika pulsa yang dipantulkan dikirim ke pembentuk pertama, pulsa yang dipancarkan diperkuat oleh YDFA, pulsa dibentuk oleh pembentuk kedua, dan selanjutnya dipecah oleh cermin dichroic lainnya. Tiga pulsa berkicau dari laser serat kemudian diperkuat dan digabungkan kembali menggunakan cermin dichroic tambahan.
Spektrum ultra-broadband ini dikombinasikan dengan pembentukan pulsa sintetik menghasilkan pulsa dengan durasi hanya 42 detik, yang jauh lebih pendek daripada pulsa yang dihasilkan oleh tiga saluran serat. Menurut tim, ini adalah durasi laser pulsa terpendek yang diperoleh dari sistem laser serat ytterbium yang digabungkan secara spektral.
Sementara pekerjaan ini telah mendemonstrasikan pulsa ultra cepat pada energi rendah sejauh ini, ini menunjukkan prinsip utama penggabungan spektral ultrawideband dan pembentukan pulsa sintesis spektral yang koheren, dan memberikan terobosan dalam penggunaan laser serat untuk menggerakkan pedal gas plasma laser (LPA). Di masa depan, tim berencana untuk menambahkan lebih banyak tahap amplifikasi dan menerapkan teknik multidimensi yang mampu menggabungkan laser serat secara spasial, temporal, dan spektral untuk menghasilkan puluhan detik pulsa laser berenergi tinggi.