Super kompaktowy i wydajny tripler
Właśnie opublikowaliśmy wyniki naszej pracy nad wydajnym kaskadowym generatorem trzeciej harmonicznej (triplerem). Ma on 3 razy większą wydajność i jest 1000 razy mniejszy od wcześniej znanych konstrukcji.
Ultrafioletowe ultrakrótkie impulsy światła są świetnym narzędziem do dokładnej obróbki laserowej. Przydają się także w spektroskopii ultraszybkiej, w której reakcje chemiczne obserwuje się na żywo. Impulsy w zakresie UV jednak nie łatwo wyprodukować. Nie ma laserów UV, które można by zmusić do pracy impulsowej. Pozostaje zatem przetwarzanie światła laserów podczerwonych na ultrafiolet.
Tripler to jedno z narzędzi używanych do przetwarzania koloru światła. Zaczynamy z podczerwieni, przetwarzamy ją na światło zielone poprzez sumowanie energii fotonów. Następnie znów sumujemy energię, tym razem światła zielonego i podczerwieni, aby dostać ultrafiolet. Takie sumowanie nazywamy „przetwarzaniem nieliniowym”, zachodzi ono w kryształach, lecz zwykle zjawisko to jest mało wydajne. Na szczęście wydajność zjawisk nieliniowych rośnie z natężeniem światła. W Centrum Laserowym mamy do dyspozycji ultrakrótkie impulsy laserowe o czasach trwania około 0.0000000000002 sekundy (200 fs). Choć energia tych impulsów jest mała (około 0.000000004 dżula), to jest ona „upakowana” w krótkim czasie i, dodatkowo, w małej przestrzeni, jeśli wiązkę światła skupimy. W naszym wypadku natężenia światła sięgają kilku gigawatów na centymetr kwadratowy. To właśnie tyle ile potrzeba do wydajnego przetwarzania, ale, nawet z użyciem takich impulsów nie udawało się do tej pory bardzo przekroczyć wydajności rzędu 10 % a używane do tego urządzenia miały rozmiary pudełka śniadaniowego.
Na czym polega nasz pomysł? Po pierwsze zdecydowaliśmy się zmniejszyć urządzenie. Dotychczas za pierwszym kryształem – po pierwszym stopniu przetwarzania - rozdzielano nowo powstałe światło zielone od podczerwonego. Taka separacja wymaga użycia kilku dużych elementów optycznych: soczewek i specjalnych luster, które odbijają jeden i transmitują drugi z kolorów. Po co więc w ogóle rozdzielać światło? Otóż ultrakrótkie impulsy trzeba dokładnie przekryć w czasie i przestrzeni – muszą znaleźć się w jednym miejscu by energia ich fotonów mogła się sumować. Dotychczas najlepszym sposobem na uzyskanie takiego przekrycia było rozdzielenie kolorów, wyrównanie opóźnień i skierowanie w jeden punkt drugiego kryształu.
Z godnie z naszym pomysłem rozdzielanie nie jest potrzebne, zamiast tego do kontroli opóźnienia impulsów używamy kryształu kalcytu w którym, w przeciwieństwie do pozostałych kryształów, impuls zielony porusza się szybciej niż czerwony i dwójłomnego kryształu ortowanadku itru, który pozwala przesuwać przestrzennie jedną z wiązek względem drugiej. Dzięki użyciu tych kryształów udało nam się zmniejszyć tripler do rozmiarów monety (mógłby być jeszcze mniejszy, ale zapewne zaraz by nam się zgubił).
A co z wydajnością? Wiedzieliśmy już wcześniej, że gdy używamy krótkich impulsów mocno skupionej wiązki proces przetwarzania staje się trudny do zrozumienia. Zawodzą nasz intuicje oraz proste modele. Stworzyliśmy zatem narzędzie do trójwymiarowej symulacji oddziaływania impulsów – Hussar – i z jego użyciem wybraliśmy najlepsze grubości używanych kryształów co dało trzykrotną poprawę wydajności (przykładową symulację pokazuje film na górze strony – jak widać o impulsach światła można myśleć jak o różnokolorowych balonikach).
Więcej? Tu znajduje się nasz artykuł w Scientific Reports, a tu notka ze strony Wydziału Fizyki.