Reč laser obično dočarava sliku snažno koncentrisanog i kontinuiranog svetlosnog snopa. Laseri koji proizvode takvu svetlost su, u stvari, veoma česti i korisni. Međutim, nauka i industrija često takođe zahtevaju veoma kratke i jake impulse laserske svetlosti.
Ovi impulsi se mogu koristiti za obradu materijala ili za stvaranje visokih harmonijskih frekvencija sve do rendgenskih zraka, što može pomoći da se izuzetno brzi procesi u opsegu atosekunde (milijarditi deo milijarde sekunde) učine vidljivim.
Tim istraživača sa ETH u Cirihu predvođen Ursulom Keler, profesorkom na Institutu za kvantnu elektroniku, sada je postavio novi rekord za takve laserske impulse: na 550 vati prosečne snage oni premašuju prethodni maksimum za više od 50 odsto, što čini to su najjači impulsi ikada stvoreni laserskim oscilatorom.
U isto vreme, oni su izuzetno kratki — traju manje od pikosekunde, ili milioniti deo milionitog dela sekunde — i izlaze iz lasera u redovnom nizu velikom brzinom od pet miliona impulsa u sekundi. Kratki impulsi dostižu maksimalnu snagu od 100 megavata (što bi, u teoriji, bilo dovoljno da za kratko vreme napaja 100.000 usisivača).
Istraživači su nedavno objavili svoje rezultate u časopisu Optica.
Poslednjih 25 godina Kelerova istraživačka grupa radi na kontinuiranom unapređenju takozvanih kratko pulsnih disk lasera, u kojima se laserski materijal sastoji od tankog diska, debljine samo 100 mikrometara, od kristala koji sadrži atome iterbijuma.
Iznova i iznova, Keler i njeni saradnici nailazili su na nove probleme koji su u početku ometali dalje povećanje moći. Često su se dešavali spektakularni incidenti u kojima su različiti delovi unutar lasera bili uništeni. Rešavanje problema dovelo je do novih uvida koji su kratkopulsne lasere, koji su takođe popularni u industrijskim primenama, učinili pouzdanijim.
„Kombinacija još veće snage i brzine pulsa od 5,5 megaherca, koju smo sada postigli, zasnovana je na dve inovacije,“ objašnjava Moric Zajdel, dr. student u Kelerovoj laboratoriji. Kao prvo, on i njegove kolege su koristili poseban raspored ogledala koji nekoliko puta šalju svetlost unutar lasera kroz disk pre nego što napusti laser kroz izlazno ogledalo.
„Ovaj aranžman nam omogućava da izuzetno pojačamo svetlost bez da laser postane nestabilan“, kaže Seidel.
Druga inovacija se odnosi na središnji deo pulsirajućeg lasera: specijalno ogledalo napravljeno od poluprovodničkog materijala, koje je Keler izumeo pre trideset godina i nosi nezaboravnu skraćenicu SESAM (Semiconductor Saturable Absorber Mirror). Za razliku od normalnih ogledala, reflektivnost SESAM-a zavisi od jačine svetlosti koja ga udara.
Koristeći SESAM, istraživači nagovaraju svoj laser da šalje kratke impulse, a ne kontinuirani zrak. Impulsi imaju veći intenzitet jer se svetlosna energija koncentriše u kraćem vremenskom periodu. Da bi laser uopšte mogao da odašilje lasersko svetlo, intenzitet svetlosti unutar njega mora da premaši određenu graničnu vrednost.
Ovde SESAM dolazi u igru: on reflektuje svetlost koja je već nekoliko puta prošla kroz disk za pojačavanje, posebno efikasno ako je intenzitet svetlosti visok. Kao rezultat, laser automatski prelazi u pulsni režim.
„Impulsi sa snagom uporedivim sa onima koje smo sada postigli mogli su se do sada postići samo slanjem slabijih laserskih impulsa kroz nekoliko odvojenih pojačala izvan lasera“, kaže Seidel.
Nedostatak ovoga je što pojačanje takođe dovodi do većeg šuma, što odgovara fluktuacijama snage, što uzrokuje probleme posebno u preciznim merenjima.
Da bi stvorili veliku snagu direktno pomoću laserskog oscilatora, istraživači su morali da reše niz lukavih tehničkih problema – na primer, kako da na poluprovodnički sloj ogledala SESAM pričvrste tanak safirni prozor, koji snažno poboljšava svojstva ogledala. .
„Kada je konačno funkcionisalo i kada smo gledali kako laser stvara impulse – to je bilo stvarno super“, kaže Zajdel.
Ursula Keler je takođe oduševljena ovim rezultatima i kaže: „Mi… očekujemo da ćemo moći da skratimo ove impulse veoma efikasno na režim od nekoliko ciklusa, što je veoma važno za stvaranje atosekundnih impulsa.
Prema Keleru, brzi i snažni impulsi koje je omogućio novi laser takođe bi mogli da vide primenu u novim takozvanim frekventnim češljevima u režimu ultraljubičastih i rendgenskih zraka, što bi moglo dovesti do još preciznijih časovnika.
„San bi bio da se jednog dana pokaže da prirodne konstante ipak nisu konstantne“, kaže Keler. Takođe, teraherc zračenje, koje ima mnogo veću talasnu dužinu od vidljive ili infracrvene svetlosti, može se stvoriti pomoću lasera i zatim koristiti, na primer, za testiranje materijala.
„Sve u svemu, može se reći da smo našim pulsnim laserima pokazali da su laserski oscilatori dobra alternativa laserskim sistemima zasnovanim na pojačalima i da omogućavaju nova i bolja merenja“, kaže Keler.
