เปลี่ยนความเร็วพัลส์ของเลเซอร์อัลตราสั้นสุดแรง

เปลี่ยนความเร็วของพัลส์เลเซอร์อัลตราสั้นที่แข็งแกร่งเป็นพิเศษ

โดยทั่วไปแล้วเลเซอร์อัลตร้าสั้นพิเศษหมายถึงพัลส์เลเซอร์ที่มีความกว้างพัลส์สิบและร้อยเฟมโตวินาที กำลังสูงสุดเทราวัตต์และเพทาวัตต์ และความเข้มแสงที่โฟกัสเกิน 1018 วัตต์/ซม.2 เลเซอร์อัลตร้าสั้นพิเศษและแหล่งกำเนิดรังสีซุปเปอร์ที่สร้างขึ้นและแหล่งกำเนิดอนุภาคพลังงานสูงมีมูลค่าการใช้งานที่หลากหลายในทิศทางการวิจัยพื้นฐานมากมาย เช่น ฟิสิกส์พลังงานสูง ฟิสิกส์อนุภาค ฟิสิกส์พลาสมา ฟิสิกส์นิวเคลียร์ และฟิสิกส์ดาราศาสตร์ และผลลัพธ์ของการวิจัยทางวิทยาศาสตร์สามารถนำไปใช้ในอุตสาหกรรมเทคโนโลยีขั้นสูงที่เกี่ยวข้อง สุขภาพทางการแพทย์ พลังงานสิ่งแวดล้อม และความมั่นคงด้านการป้องกันประเทศได้ นับตั้งแต่มีการประดิษฐ์เทคโนโลยีขยายพัลส์แบบมีเสียงแหลมในปี 1985 ก็ได้เกิดการเกิดขึ้นของบีตวัตต์ตัวแรกของโลกเลเซอร์ในปี 1996 และการสร้างเลเซอร์ 10 วัตต์ตัวแรกของโลกสำเร็จในปี 2017 ในอดีต เลเซอร์อัลตร้าสั้นพิเศษมุ่งเน้นไปที่การสร้าง "แสงที่เข้มข้นที่สุด" เป็นหลัก ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา การศึกษาวิจัยแสดงให้เห็นว่าภายใต้เงื่อนไขการรักษาพัลส์ซูเปอร์เลเซอร์ หากสามารถควบคุมความเร็วในการส่งพัลส์ของเลเซอร์อัลตร้าสั้นพิเศษได้ อาจทำให้ได้ผลลัพธ์สองเท่าโดยใช้ความพยายามเพียงครึ่งเดียวในแอปพลิเคชันทางกายภาพบางอย่าง ซึ่งคาดว่าจะลดขนาดของเลเซอร์อัลตร้าสั้นพิเศษลงอุปกรณ์เลเซอร์แต่ปรับปรุงผลกระทบในทดลองฟิสิกส์เลเซอร์สนามสูงได้

การบิดเบือนของหน้าพัลส์ของเลเซอร์อัลตราสั้นที่มีความแรงสูงเป็นพิเศษ
เพื่อให้ได้พลังงานสูงสุดภายใต้พลังงานจำกัด ความกว้างของพัลส์จะลดลงเหลือ 20~30 เฟมโตวินาทีโดยขยายแบนด์วิดท์ของเกน พลังงานพัลส์ของเลเซอร์อัลตราสั้นขนาด 10 วัตต์ในปัจจุบันอยู่ที่ประมาณ 300 จูล และเกณฑ์ความเสียหายที่ต่ำของกริดคอมเพรสเซอร์ทำให้รูรับแสงของลำแสงโดยทั่วไปมากกว่า 300 มม. ลำแสงพัลส์ที่มีความกว้างของพัลส์ 20~30 เฟมโตวินาทีและรูรับแสง 300 มม. นั้นสามารถทำให้เกิดการบิดเบือนของการจับคู่เชิงปริภูมิและเวลาได้ง่าย โดยเฉพาะการบิดเบือนของหน้าพัลส์ รูปที่ 1(a) แสดงการแยกเชิงปริภูมิและเวลาของหน้าพัลส์และหน้าเฟสที่เกิดจากการกระจายบทบาทของลำแสง โดยแบบแรกแสดง "การเอียงเชิงปริภูมิและเวลา" เมื่อเทียบกับแบบหลัง อีกแบบหนึ่งคือ "ความโค้งของปริภูมิเวลา" ที่ซับซ้อนกว่าซึ่งเกิดจากระบบเลนส์ ... รูปที่ 1(a) แสดงการแยกเชิงปริภูมิและเวลาของหน้าพัลส์และหน้าเฟสที่เกิดจากการกระจายบทบาทของลำแสง รูปที่ 1(a) แสดง "ความโค้งของปริภูมิและเวลา" เมื่อเทียบกับแบบหลัง รูปที่ 2(a) แสดง "ความโค้งของปริภูมิ-เวลา" ที่ซับซ้อนกว่าซึ่งเกิดจากระบบเลนส์ รูปที่ 3(b) แสดง "ความโค้งของปริภูมิ-เวลา" ที่ซับซ้อนกว่าซึ่งเกิดจากระบบเลนส์ รูปที่ 3(b) แสดงการแยกเชิงปริภูมิ-เวลาของหน้าพัลส์และหน้าเฟสที่เกิดจากการกระจายบทบาทของลำแสง รูปที่ 1(a) แสดงการแยกเชิงปริภูมิ-เวลาของหน้าพัลส์และหน้าเฟสที่เกิดจากการกระจายบทบาทของลำแสง รูปที่ 1(a) แสดงการแยกเชิงปริภูมิ-เวลาของหน้าพัลส์และหน้าเฟสที่เกิดจากการกระจายบทบาทของลำแสง รูปที่ 1(b) แสดง "ความโค้งของปริภูมิ-เวลา" เมื่อเทียบกับแบบหลัง รูปที่ 3(b) แสดง "ความโค้งของปริภูมิ-เวลา" ที่ซับซ้อนกว่าซึ่งเกิดจากระบบเลนส์ รูปที่ 4(b) แสดง "ความโค้งของปริภูมิ-เวลา" ที่ซับซ้อนกว่าซึ่งเกิดจาก 1 (b) แสดงผลของหน้าพัลส์ในอุดมคติ หน้าพัลส์เอียง และหน้าพัลส์โค้งงอต่อความบิดเบือนเชิงปริภูมิ-เวลาของสนามแสงบนเป้าหมาย ส่งผลให้ความเข้มของแสงที่โฟกัสลดลงอย่างมาก ซึ่งไม่เอื้อต่อการใช้งานสนามแสงที่เข้มข้นของเลเซอร์ซูเปอร์อัลตราสั้น

รูปที่ 1 (ก) การเอียงของหน้าพัลส์ที่เกิดจากปริซึมและช่องเปิด และ (ข) ผลของความบิดเบี้ยวของหน้าพัลส์บนสนามแสงกาลอวกาศบนเป้าหมาย

การควบคุมความเร็วพัลส์แบบแข็งแรงพิเศษเลเซอร์อัลตราสั้น
ปัจจุบัน ลำแสงเบสเซลที่ผลิตขึ้นโดยการซ้อนทับของคลื่นระนาบแบบกรวยได้แสดงให้เห็นถึงคุณค่าของการประยุกต์ใช้ในฟิสิกส์เลเซอร์สนามสูง หากลำแสงพัลส์ที่ซ้อนทับกันแบบกรวยมีการกระจายหน้าพัลส์แบบแกนสมมาตร ความเข้มของศูนย์กลางทางเรขาคณิตของแพ็คเก็ตคลื่นเอ็กซ์เรย์ที่สร้างขึ้นตามที่แสดงในรูปที่ 2 สามารถเป็นแบบเร็วเหนือแสงคงที่ ช้ากว่าแสงคงที่ เร็วเหนือแสงเร่ง และช้ากว่าแสง แม้แต่การรวมกันของกระจกที่เปลี่ยนรูปได้และตัวปรับแสงเชิงพื้นที่แบบเฟสก็สามารถสร้างรูปร่างเชิงพื้นที่และเวลาของหน้าพัลส์ได้ตามต้องการ และจากนั้นจึงสร้างความเร็วในการส่งที่ควบคุมได้ตามต้องการ ผลทางกายภาพข้างต้นและเทคโนโลยีการปรับค่าของมันสามารถแปลง "การบิดเบือน" ของหน้าพัลส์ให้เป็น "การควบคุม" ของหน้าพัลส์ จากนั้นจึงบรรลุวัตถุประสงค์ในการปรับความเร็วในการส่งของเลเซอร์อัลตราสั้นที่มีความแข็งแรงเป็นพิเศษ

รูปที่ 2 พัลส์แสงที่เคลื่อนที่เร็วกว่าแสงคงที่ (ก) พัลส์แสงที่เคลื่อนที่เร็วกว่าแสงคงที่ (ข) พัลส์แสงที่เคลื่อนที่เร็วกว่าแสงที่เคลื่อนที่เร็วขึ้น และ (ง) พัลส์แสงที่เคลื่อนที่ช้าลงซึ่งเกิดจากการซ้อนทับนั้นตั้งอยู่ที่จุดศูนย์กลางทางเรขาคณิตของบริเวณการซ้อนทับ

แม้ว่าการค้นพบการบิดเบือนของพัลส์ด้านหน้าจะเร็วกว่าเลเซอร์ซูเปอร์อัลตราสั้น แต่ก็ได้รับความสนใจอย่างกว้างขวางควบคู่ไปกับการพัฒนาของเลเซอร์ซูเปอร์อัลตราสั้น เป็นเวลานานแล้วที่การบิดเบือนดังกล่าวไม่เอื้อต่อการบรรลุเป้าหมายหลักของเลเซอร์ซูเปอร์อัลตราสั้น ซึ่งก็คือความเข้มของแสงโฟกัสที่สูงเป็นพิเศษ และนักวิจัยได้พยายามระงับหรือขจัดการบิดเบือนของพัลส์ด้านหน้าต่างๆ ในปัจจุบัน เมื่อ "การบิดเบือนของพัลส์ด้านหน้า" พัฒนาเป็น "การควบคุมพัลส์ด้านหน้า" ก็สามารถบรรลุการควบคุมความเร็วการส่งของเลเซอร์ซูเปอร์อัลตราสั้นได้ ซึ่งให้วิธีการและโอกาสใหม่ๆ สำหรับการประยุกต์ใช้เลเซอร์ซูเปอร์อัลตราสั้นในฟิสิกส์ของเลเซอร์สนามสูง