เปลี่ยนความเร็วพัลส์ของเลเซอร์อัลตร้าชอร์ตกำลังสูงพิเศษ

เปลี่ยนความเร็วพัลส์ของเลเซอร์อัลตร้าชอร์ตที่ทรงพลังมาก

เลเซอร์อัลตร้าชอร์ตโดยทั่วไปหมายถึงพัลส์เลเซอร์ที่มีความกว้างของพัลส์หลายสิบและหลายร้อยเฟมโตวินาที กำลังสูงสุดระดับเทราวัตต์และเพตาวัตต์ และความเข้มของแสงที่โฟกัสเกิน 10¹⁸ วัตต์/ตารางเซนติเมตร เลเซอร์อัลตร้าชอร์ตและแหล่งกำเนิดรังสีซุปเปอร์และแหล่งกำเนิดอนุภาคพลังงานสูงที่สร้างขึ้นจากเลเซอร์ชนิดนี้มีคุณค่าในการใช้งานอย่างกว้างขวางในทิศทางการวิจัยพื้นฐานหลายด้าน เช่น ฟิสิกส์พลังงานสูง ฟิสิกส์อนุภาค ฟิสิกส์พลาสมา ฟิสิกส์นิวเคลียร์ และฟิสิกส์ดาราศาสตร์ และผลลัพธ์ของการวิจัยทางวิทยาศาสตร์สามารถนำไปใช้ในอุตสาหกรรมไฮเทคที่เกี่ยวข้อง การแพทย์ สุขภาพ สิ่งแวดล้อม พลังงาน และความมั่นคงของชาติได้ นับตั้งแต่การคิดค้นเทคโนโลยีการขยายพัลส์แบบชิปในปี 1985 การปรากฏตัวของเลเซอร์อัลตร้าชอร์ตเครื่องแรกของโลกก็เริ่มต้นขึ้นเลเซอร์นับตั้งแต่ปี 1996 จนถึงการสร้างเลเซอร์ 10 วัตต์ตัวแรกของโลกสำเร็จในปี 2017 ที่ผ่านมา การวิจัยเกี่ยวกับเลเซอร์อัลตร้าชอร์ตจึงมุ่งเน้นไปที่การสร้าง "แสงที่มีความเข้มสูงสุด" เป็นหลัก แต่ในช่วงไม่กี่ปีมานี้ การศึกษาต่างๆ แสดงให้เห็นว่า ภายใต้เงื่อนไขของการรักษาระดับพัลส์ของเลเซอร์อัลตร้าชอร์ต หากสามารถควบคุมความเร็วในการส่งผ่านพัลส์ของเลเซอร์อัลตร้าชอร์ตได้ อาจให้ผลลัพธ์เพิ่มขึ้นเป็นสองเท่าด้วยความพยายามเพียงครึ่งเดียวในบางการใช้งานทางฟิสิกส์ ซึ่งคาดว่าจะช่วยลดขนาดของเลเซอร์อัลตร้าชอร์ตลงได้อุปกรณ์เลเซอร์แต่จะช่วยปรับปรุงประสิทธิภาพในการทดลองฟิสิกส์เลเซอร์สนามสูง

การบิดเบี้ยวของหน้าคลื่นพัลส์ของเลเซอร์อัลตร้าชอร์ตที่มีกำลังแรงสูงมาก
เพื่อให้ได้กำลังสูงสุดภายใต้พลังงานที่จำกัด ความกว้างของพัลส์จึงลดลงเหลือ 20-30 เฟมโตวินาที โดยการขยายแบนด์วิดท์ของเกน พลังงานพัลส์ของเลเซอร์อัลตร้าชอร์ต 10 บีควัตต์ในปัจจุบันอยู่ที่ประมาณ 300 จูล และเกณฑ์ความเสียหายต่ำของตะแกรงบีบอัดทำให้รูรับแสงของลำแสงโดยทั่วไปมีขนาดใหญ่กว่า 300 มม. ลำแสงพัลส์ที่มีความกว้างพัลส์ 20-30 เฟมโตวินาทีและรูรับแสง 300 มม. มีแนวโน้มที่จะเกิดการบิดเบือนของการเชื่อมโยงเชิงพื้นที่และเวลา โดยเฉพาะอย่างยิ่งการบิดเบือนของหน้าพัลส์ รูปที่ 1 (ก) แสดงการแยกเชิงพื้นที่และเวลาของหน้าพัลส์และหน้าเฟสที่เกิดจากการกระจายตัวของลำแสง โดยที่ส่วนแรกแสดง "การเอียงเชิงพื้นที่และเวลา" เมื่อเทียบกับส่วนหลัง ส่วนที่สองคือ "ความโค้งของกาลอวกาศ" ที่ซับซ้อนกว่าซึ่งเกิดจากระบบเลนส์ รูปที่ 1 (ก) 1 (b) แสดงผลกระทบของหน้าคลื่นพัลส์ในอุดมคติ หน้าคลื่นพัลส์เอียง และหน้าคลื่นพัลส์โค้งงอต่อการบิดเบือนเชิงพื้นที่และเวลาของสนามแสงบนเป้าหมาย ส่งผลให้ความเข้มของแสงที่โฟกัสลดลงอย่างมาก ซึ่งไม่เอื้อต่อการใช้งานสนามแรงของเลเซอร์อัลตร้าชอร์ตพิเศษ

รูปที่ 1 (ก) การเอียงของหน้าคลื่นพัลส์ที่เกิดจากปริซึมและตะแกรง และ (ข) ผลกระทบของการบิดเบือนของหน้าคลื่นพัลส์ต่อสนามแสงในปริภูมิเวลาบนเป้าหมาย

การควบคุมความเร็วของพัลส์ที่มีกำลังแรงสูงเป็นพิเศษเลเซอร์อัลตร้าชอร์ต
ในปัจจุบัน ลำแสงเบสเซลที่เกิดจากการซ้อนทับแบบทรงกรวยของคลื่นระนาบได้แสดงให้เห็นถึงคุณค่าในการประยุกต์ใช้ในฟิสิกส์เลเซอร์สนามสูง หากลำแสงพัลส์ที่ซ้อนทับแบบทรงกรวยมีการกระจายหน้าพัลส์แบบสมมาตรตามแกน ความเข้มของจุดศูนย์กลางทางเรขาคณิตของกลุ่มคลื่นรังสีเอกซ์ที่เกิดขึ้นดังแสดงในรูปที่ 2 สามารถเป็นความเร็วเหนือแสงคงที่ ความเร็วต่ำกว่าแสงคงที่ ความเร็วเหนือแสงแบบเร่ง และความเร็วต่ำกว่าแสงแบบลดความเร็วได้ แม้แต่การรวมกันของกระจกปรับรูปได้และตัวปรับแสงเชิงพื้นที่แบบเฟสก็สามารถสร้างรูปร่างเชิงพื้นที่และเวลาของหน้าพัลส์ได้ตามต้องการ และจากนั้นก็สร้างความเร็วในการส่งผ่านที่ควบคุมได้ตามต้องการ ผลทางกายภาพข้างต้นและเทคโนโลยีการปรับแต่งสามารถเปลี่ยน “การบิดเบี้ยว” ของหน้าพัลส์ให้เป็น “การควบคุม” ของหน้าพัลส์ และจากนั้นก็บรรลุวัตถุประสงค์ของการปรับความเร็วในการส่งผ่านของเลเซอร์อัลตร้าชอร์ตที่มีกำลังสูงมาก

รูปที่ 2 พัลส์แสง (a) เร็วกว่าแสงคงที่ (b) ช้ากว่าแสงคงที่ (c) เร็วกว่าแสงแบบเร่งความเร็ว และ (d) ช้ากว่าแสงแบบลดความเร็ว ซึ่งเกิดจากการซ้อนทับกันนั้น ตั้งอยู่ที่จุดศูนย์กลางทางเรขาคณิตของบริเวณการซ้อนทับกัน

แม้ว่าการค้นพบการบิดเบี้ยวของหน้าคลื่นพัลส์จะเกิดขึ้นก่อนการพัฒนาเลเซอร์อัลตร้าชอร์ต แต่ก็ได้รับความสนใจอย่างกว้างขวางควบคู่ไปกับการพัฒนาเลเซอร์อัลตร้าชอร์ตมาโดยตลอด เป็นเวลานานแล้วที่การบิดเบี้ยวของหน้าคลื่นพัลส์เป็นอุปสรรคต่อการบรรลุเป้าหมายหลักของเลเซอร์อัลตร้าชอร์ต นั่นคือความเข้มแสงโฟกัสสูงมาก และนักวิจัยได้พยายามอย่างต่อเนื่องเพื่อลดหรือกำจัดการบิดเบี้ยวของหน้าคลื่นพัลส์ต่างๆ ในปัจจุบัน เมื่อ "การบิดเบี้ยวของหน้าคลื่นพัลส์" ได้พัฒนาไปสู่ ​​"การควบคุมหน้าคลื่นพัลส์" ก็สามารถควบคุมความเร็วในการส่งผ่านของเลเซอร์อัลตร้าชอร์ตได้ ซึ่งเป็นการเปิดโอกาสและวิธีการใหม่ๆ สำหรับการประยุกต์ใช้เลเซอร์อัลตร้าชอร์ตในฟิสิกส์เลเซอร์สนามสูง