เปลี่ยนความเร็วพัลส์ของเลเซอร์อัลตราสั้นที่แข็งแกร่งเป็นพิเศษ

เปลี่ยนความเร็วพัลส์ของเลเซอร์อัลตร้าสั้นที่แข็งแกร่งเป็นพิเศษ

โดยทั่วไปแล้ว เลเซอร์ซูเปอร์อัลตราชอร์ต (Super Ultra-short Laser) หมายถึงพัลส์เลเซอร์ที่มีความกว้างพัลส์ตั้งแต่สิบถึงร้อยเฟมโตวินาที กำลังสูงสุดที่เทราวัตต์และเพตะวัตต์ และความเข้มแสงรวมที่มากกว่า 1018 วัตต์ต่อตารางเซนติเมตร เลเซอร์ซูเปอร์อัลตราชอร์ตและแหล่งกำเนิดรังสีซูเปอร์ที่ถูกสร้างขึ้น รวมถึงแหล่งกำเนิดอนุภาคพลังงานสูง มีคุณค่าในการนำไปประยุกต์ใช้อย่างกว้างขวางในสาขาการวิจัยพื้นฐานมากมาย เช่น ฟิสิกส์พลังงานสูง ฟิสิกส์อนุภาค ฟิสิกส์พลาสมา ฟิสิกส์นิวเคลียร์ และฟิสิกส์ดาราศาสตร์ และผลงานวิจัยทางวิทยาศาสตร์เหล่านี้สามารถนำไปใช้ประโยชน์ในอุตสาหกรรมเทคโนโลยีขั้นสูงที่เกี่ยวข้อง สุขภาพทางการแพทย์ พลังงานสิ่งแวดล้อม และความมั่นคงด้านการป้องกันประเทศ นับตั้งแต่การประดิษฐ์เทคโนโลยีขยายสัญญาณพัลส์แบบ Chirped Pulse ในปี พ.ศ. 2528 เป็นต้นมา บีตวัตต์ (Beat Watt) ตัวแรกของโลกก็ถือกำเนิดขึ้นเลเซอร์ในปี พ.ศ. 2539 และการสร้างเลเซอร์กำลัง 10 บีตวัตต์ตัวแรกของโลกสำเร็จในปี พ.ศ. 2560 ในอดีตเลเซอร์อัลตร้าสั้นพิเศษมุ่งเน้นไปที่การสร้าง “แสงที่มีความเข้มข้นสูงสุด” เป็นหลัก ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา มีการศึกษาแสดงให้เห็นว่าภายใต้เงื่อนไขการรักษาพัลส์ของเลเซอร์ซูเปอร์สั้นพิเศษ หากสามารถควบคุมความเร็วในการส่งพัลส์ของเลเซอร์อัลตร้าสั้นพิเศษได้ อาจทำให้ได้ผลลัพธ์เพิ่มขึ้นเป็นสองเท่าโดยใช้ความพยายามเพียงครึ่งเดียวในการใช้งานทางกายภาพบางประเภท ซึ่งคาดว่าจะช่วยลดขนาดของเลเซอร์อัลตร้าสั้นพิเศษลงอุปกรณ์เลเซอร์แต่ปรับปรุงผลกระทบในทดลองฟิสิกส์เลเซอร์สนามสูง

การบิดเบือนของหน้าพัลส์ของเลเซอร์อัลตราสั้นที่มีความแข็งแรงเป็นพิเศษ
เพื่อให้ได้กำลังสูงสุดภายใต้พลังงานจำกัด ความกว้างของพัลส์จะถูกลดเหลือ 20-30 เฟมโตวินาทีโดยการขยายแบนด์วิดท์ของเกน พลังงานพัลส์ของเลเซอร์อัลตร้าสั้นขนาด 10 วัตต์ในปัจจุบันอยู่ที่ประมาณ 300 จูล และเกณฑ์ความเสียหายที่ต่ำของคอมเพรสเซอร์เกรตติงทำให้รูรับแสงของลำแสงโดยทั่วไปมากกว่า 300 มิลลิเมตร ลำแสงพัลส์ที่มีความกว้างของพัลส์ 20-30 เฟมโตวินาทีและรูรับแสง 300 มิลลิเมตรนั้นสามารถทำให้เกิดความบิดเบี้ยวของการจับคู่เชิงปริภูมิและเวลาได้ง่าย โดยเฉพาะอย่างยิ่งความบิดเบี้ยวของหน้าพัลส์ รูปที่ 1 (a) แสดงการแยกเชิงปริภูมิและเวลาของหน้าพัลส์และหน้าเฟสที่เกิดจากการกระจายตัวของบทบาทลำแสง โดยภาพแรกแสดง "ความเอียงเชิงปริภูมิและเวลา" เมื่อเทียบกับภาพหลัง อีกภาพหนึ่งคือ "ความโค้งของกาลอวกาศ" ที่ซับซ้อนกว่าซึ่งเกิดจากระบบเลนส์ รูปที่ ภาพที่ 1 (b) แสดงผลของหน้าพัลส์ในอุดมคติ หน้าพัลส์เอียง และหน้าพัลส์โค้งงอ ที่มีต่อความบิดเบี้ยวเชิงปริภูมิและเวลาของสนามแสงบนเป้าหมาย ส่งผลให้ความเข้มของแสงที่โฟกัสลดลงอย่างมาก ซึ่งไม่เอื้อต่อการประยุกต์ใช้สนามแสงที่เข้มข้นของเลเซอร์ระยะสั้นพิเศษ

รูปที่ 1 (ก) ความเอียงของหน้าพัลส์ที่เกิดจากปริซึมและช่องแสง และ (ข) ผลของความบิดเบี้ยวของหน้าพัลส์บนสนามแสงกาลอวกาศบนเป้าหมาย

การควบคุมความเร็วพัลส์แบบอัลตร้าแข็งแกร่งเลเซอร์อัลตราสั้น
ปัจจุบัน ลำแสงเบสเซลที่เกิดจากการซ้อนทับของคลื่นระนาบแบบกรวยได้แสดงให้เห็นถึงคุณค่าในการนำไปประยุกต์ใช้ในฟิสิกส์เลเซอร์สนามสูง หากลำแสงพัลส์ที่ซ้อนทับกันแบบกรวยมีการกระจายตัวของหน้าพัลส์แบบสมมาตรแกน ความเข้มของศูนย์กลางทางเรขาคณิตของแพ็กเก็ตคลื่นเอ็กซ์เรย์ที่สร้างขึ้นดังแสดงในรูปที่ 2 อาจเป็นแบบคงที่ สว่างกว่าแสง (superluminal) สว่างกว่าแสง (subluminal) สว่างกว่าแสง (accelerated) และสว่างกว่าแสง (subluminal) สว่างกว่าแสง (accelerated) แม้แต่การผสมผสานระหว่างกระจกที่เปลี่ยนรูปได้และตัวปรับแสงเชิงพื้นที่แบบเฟส ก็สามารถสร้างรูปร่างเชิงพื้นที่และเวลาของหน้าพัลส์ได้ตามต้องการ และสร้างความเร็วในการส่งที่ควบคุมได้ตามต้องการ ผลทางกายภาพข้างต้นและเทคโนโลยีการปรับแสงสามารถเปลี่ยน “ความบิดเบี้ยว” ของหน้าพัลส์ให้เป็น “การควบคุม” ของหน้าพัลส์ และบรรลุวัตถุประสงค์ในการปรับความเร็วในการส่งของเลเซอร์อัลตร้าสั้นที่มีกำลังแรงสูงเป็นพิเศษ

รูปที่ 2 พัลส์แสงที่เกิดจากการซ้อนทับ (a) คงที่เร็วกว่าแสง (b) แสงย่อยคงที่ (c) แสงที่เคลื่อนที่เร็วกว่าแสงที่เร่งความเร็ว และ (d) แสงย่อยที่ชะลอตัวลง ตั้งอยู่ที่จุดศูนย์กลางทางเรขาคณิตของบริเวณการซ้อนทับ

แม้ว่าการค้นพบความเพี้ยนของพัลส์ฟรอนต์จะมาก่อนเลเซอร์ซูเปอร์อัลตราสั้น แต่ก็ได้รับความสนใจอย่างกว้างขวางควบคู่ไปกับการพัฒนาเลเซอร์ซูเปอร์อัลตราสั้น เป็นเวลานานที่การค้นพบนี้ไม่เอื้อต่อการบรรลุเป้าหมายหลักของเลเซอร์ซูเปอร์อัลตราสั้น นั่นคือ ความเข้มแสงโฟกัสที่สูงมาก นักวิจัยจึงพยายามยับยั้งหรือขจัดความเพี้ยนของพัลส์ฟรอนต์ในรูปแบบต่างๆ ปัจจุบัน เมื่อ “ความเพี้ยนของพัลส์ฟรอนต์” พัฒนาเป็น “การควบคุมพัลส์ฟรอนต์” การควบคุมพัลส์ฟรอนต์ก็ประสบความสำเร็จในการควบคุมความเร็วในการส่งของเลเซอร์ซูเปอร์อัลตราสั้น นำมาซึ่งวิธีการและโอกาสใหม่ๆ สำหรับการประยุกต์ใช้เลเซอร์ซูเปอร์อัลตราสั้นในฟิสิกส์เลเซอร์สนามสูง