Wzmacnianie ultrakrótkich impulsów laserowych

Wyjaśnienie, dlaczego wytwarzanie ultrakrótkich impulsów światła o dużej energii było osiągnięciem na miarę Nagrody Nobla, najlepiej zacząć od przytoczenia kilku liczb i przeprowadzenia prostych rachunków. Impulsy światła laserowego, o których tu mowa, trwają od kilku do około 100 femtosekund, a femtosekunda (fs) to s. Trudno wyobrazić sobie tak krótkie czasy, bo za najkrótszy czas postrzegany przez człowieka można uznać przysłowiowe "mgnienie oka", trwające około 0,1 s. Tutaj mówimy o impulsach światła przynajmniej milion milionów razy krótszych. Czas trwania tych impulsów ma się do jednej sekundy tak, jak czas trwania przeciętnego filmu do wieku Wszechświata! Ma to kilka istotnych konsekwencji. Po pierwsze energia światła jest skupiona w niezwykle krótkich "paczkach", co oznacza, że moc światła w takiej "paczce" jest bardzo wysoka, nawet jeśli średnia moc lasera generującego te impulsy nie jest duża. Zróbmy prosty rachunek, zakładając, że laser generuje ciąg impulsów o czasie trwania i energii oddalonych o

Rys. 1

Dla uproszczenia przyjmijmy, że impulsy mają kształt prostokątny (Rys. 1). W takiej sytuacji średnia moc lasera jest równa

a moc światła w impulsie (moc szczytowa) równa jest

Stosunek szczytowej do średniej mocy światła wynosi więc

Dla mieszczącego się na niewielkim stole lasera o średniej mocy 1 W, generującego impulsy trwające 100 fs, oddalone od siebie o 1 ms, stosunek ten wynosi a moc szczytowa lasera jest równa GW. Warto zauważyć, że z mocami mierzonymi w GW ma się do czynienia właściwie tylko w przypadku elektrowni atomowych. O oddziaływaniu światła z materią decyduje jednak nie tyle moc, co natężenie tego światła, czyli stosunek mocy do powierzchni, na którą pada światło. Wiązkę laserową można łatwo zogniskować do rozmiarów rzędu . Natężenie światła w ognisku wiązki o promieniu jest równe

Przy podanych powyżej parametrach wiązki impulsów i szczytowe natężenie światła ma wartość około Dla porównania, natężenie światła słonecznego na powierzchni Ziemi jest równe około

Natężenie światła jest bezpośrednio związane z amplitudą drgań pola elektrycznego :

gdzie jest prędkością światła w próżni, a przenikalnością dielektryczną próżni. Związek ten pozwala obliczyć amplitudę drgań pola elektrycznego, która w ognisku wiązki o powyższych parametrach jest rzędu V/m. Ten sam rząd wielkości mają natężenia pól elektrycznych w atomach, a więc pole elektryczne zogniskowanej wiązki impulsów femtosekundowych może łatwo okazać się silniejsze niż pole utrzymujące elektrony w atomie. W takiej sytuacji może dojść do oderwania elektronów od atomów lub cząsteczek znajdujących się w ognisku wiązki, czyli ich jonizacji. Po zogniskowaniu wiązki dostatecznie silnych impulsów w powietrzu skutkuje to wytworzeniem "iskierki" w ognisku wiązki (zdjęcie na tylnej okładce). Jest to chmurka zjonizowanych atomów i elektronów (plazmy) o temperaturze tysięcy kelwinów i rozmiarach rzędu mikrometrów. Taką "kulkę plazmy" można wykorzystać jako narzędzie do bardzo precyzyjnej obróbki materiałów, cięcia lub wiercenia otworów o mikrometrowych rozmiarach, nawet w najtwardszych materiałach o bardzo wysokiej temperaturze topnienia. Do obróbki materiałów oczywiście można zastosować również laser pracy ciągłej lub generujący o wiele dłuższe impulsy, co od dawna wykorzystuje się w przemyśle. Taki laser obrabia jednak materiał, topiąc go, co oznacza, że na krawędziach mogą pojawiać się nadtopienia. W przypadku cięcia materiału wiązką impulsów ultrakrótkich o odpowiednich parametrach materiał jest szybko przekształcany w plazmę, która od razu opuszcza obrabiany obszar w postaci gazowej, dzięki czemu jakość uzyskiwanych krawędzi jest dużo lepsza i możliwa jest o wiele bardziej precyzyjna obróbka.

Bardzo silne pola elektryczne ultrakrótkich impulsów laserowych można też wykorzystać do przyspieszania cząstek naładowanych w tzw. akceleratorach stołowych. Pozwalają one na relatywnie krótkiej drodze (dzięki czemu taki akcelerator mieści się na stole) przyspieszać cząstki do energii, które wymagają klasycznych akceleratorów o nieporównanie większych rozmiarach.

Rys. 2

W innych zastosowaniach korzysta się nie tyle z dużych natężeń światła w impulsach, co z samego faktu, że ultrakrótkie impulsy trwają naprawdę bardzo krótko. Dzięki temu możliwe stało się badanie procesów zachodzących w pojedynczych cząsteczkach, takich jak tworzenie i zrywanie wiązań chemicznych, zmiany strukturalne (obroty fragmentów cząsteczek względem siebie) czy drgania fragmentów cząsteczek wokół ich położeń równowagi. Procesy te zachodzą w czasach rzędu femtosekund, a do ich badania niezbędne jest narzędzie pozwalające zaobserwować tak szybkie zmiany. Tym narzędziem są właśnie femtosekundowe impulsy laserowe. W doświadczeniach, które pozwalają zaobserwować przebieg wymienionych wyżej procesów, wykorzystuje się zwykle jeden lub więcej takich impulsów. Pierwszy z nich (tzw. pompujący) inicjuje badany proces, drugi zaś, opóźniony względem pierwszego (tzw. sondujący), oddziałuje z badanymi cząsteczkami w trakcie zainicjowanego procesu. Zmieniając opóźnienie pomiędzy impulsami i badając zmiany parametrów impulsu sondującego (energię, widmo, polaryzację) w zależności od opóźnienia, można uzyskać informację o szybkości i charakterze procesu zachodzącego w cząsteczkach oddziałujących z tym impulsem. Za badania w tej dziedzinie Ahmed Zewail w 1999 roku otrzymał Nagrodę Nobla.

Nagroda Nobla z roku 2018 przyznana była jednak nie za zastosowania impulsów femtosekundowych o dużej energii, ale za samo opracowanie sposobu ich wytwarzania. Właściwie nawet nie tyle wytwarzania, co wzmacniania, bo metoda generacji impulsów o relatywnie małej energii była znana już wcześniej (co również jest interesującym, ale i obszernym zagadnieniem, więc nie będziemy się nim tutaj zajmować). Wzmacnianie impulsów femtosekundowych jest problematyczne ze względu na tę samą ich cechę, która jest jedną z ich zalet - bardzo duże szczytowe natężenie światła. Żeby impuls mógł zostać wzmocniony, musi przejść przez ośrodek wzmacniacza optycznego. Gdyby był to impuls ultrakrótki, to nawet jeśli powiększając wiązkę wzmacnianą, udałoby się uniknąć zniszczenia ośrodka wzmacniającego, pojawiłaby się cała gama zjawisk optycznych wynikających z oddziaływania światła o dużym natężeniu z materią. Choć są to zjawiska niezwykle interesujące, badane i wykorzystywane w dziedzinie zwanej optyką nieliniową, to tutaj zniweczyłyby cały oczekiwany efekt wzmocnienia światła.

Pomysł na wzmocnienie impulsów femtosekundowych wiąże się bezpośrednio z ich własnościami. W przeciwieństwie do typowego lasera pracy ciągłej, który ma wąskie widmo, a więc można w uproszczeniu powiedzieć, że generuje światło o jednej długości fali, widmo impulsów ultrakrótkich jest relatywnie szerokie. Wynika to z faktu, że przy czasie trwania impulsu rzędu femtosekund składa się on z kilku-kilkudziesięciu oscylacji fali elektromagnetycznej. Nie stanowi więc fali monochromatycznej, w której oscylacje mają niezmienny charakter i stałą częstość, lecz składają się na niego fale o różnych częstościach (czyli barwach). Najkrótsze impulsy mają widmo o szerokości porównywalnej z zakresem szerokości widma światła widzialnego!

Rys. 3

Z tego wynika, że wiązka impulsów femtosekundowych padając na pryzmat lub siatkę dyfrakcyjną, rozszczepi się analogicznie do wiązki światła białego, które w takim przypadku rozdzieliłoby się na wszystkie barwy tęczy. Fale o różnych częstościach składające się na impuls (czyli jego składowe spektralne) za elementem rozszczepiającym światło (dyspersyjnym) będą poruszały się po różnych drogach. Ustawiając odpowiednio pryzmaty lub siatki dyfrakcyjne na drodze wiązki impulsów, można sprawić, że na końcu ich układu uzyska się znów skolimowaną wiązkę, jednak różne składowe spektralne, poruszające się po drogach o różnej długości, będą przesunięte w czasie względem siebie (taki impuls nazywamy świergoczącym, bo częstość fali w impulsie zależy od czasu). Impuls przechodzący przez taki układ zostanie rozciągnięty w czasie, a szczytowe natężenie światła w impulsie zmaleje tyle razy, ile razy impuls zostanie wydłużony.

Rys. 4

Dzięki zastosowaniu tej metody impuls można wydłużyć na tyle znacząco, by dało się go bezpiecznie wzmocnić, a po wzmocnieniu znów skompresować za pomocą odpowiedniego układu elementów dyspersyjnych, komplementarnym do układu, który wcześniej impuls rozciągnął: jeśli w układzie wydłużającym składowe krótkofalowe poruszały się po dłuższej drodze niż składowe długofalowe, to w układzie kompresującym musi być odwrotnie.

Rys. 5

Obecnie idea ta wydaje się niezwykle prosta, a wzmacniacze ultrakrótkich impulsów laserowych są już bardzo rozpowszechnionymi układami sprzedawanymi przez wiele firm. Ich użytkownicy często nie muszą nawet wiedzieć, w jaki sposób światło jest w nich wzmacniane, a tym bardziej nie wiedzą, kto ten sposób wymyślił. Bardzo dobrze, że Komitet Noblowski docenił ten prosty koncepcyjnie, ale niezwykle sprytny pomysł, który otworzył wiele nowych kierunków badań i zastosowań w dziedzinach odległych od optyki, takich jak inżynieria, fizyka cząstek elementarnych czy chemia. Tymczasem Gérard Mourou nie spoczywa na laurach - jest jednym z inicjatorów przedsięwzięcia Extreme Light Infrastructure (ELI), którego celem jest zbudowanie w krajach Europy Środkowo-Wschodniej (niestety nie w Polsce) szeregu źródeł impulsów laserowych, których moce mają być rzędu petawatów ( W). Z pewnością doprowadzi to do nowych odkryć w dziedzinie oddziaływania materii ze światłem o ekstremalnych natężeniach.