لیزر پر انرژی با پهنای پالس زپتو-ثانیه

فشرده ‌سازی تک پالس‌های لیزر با توان پتاوات و حتی بیشتر با ده ‌ها ژول انرژی، دستیابی به کاربردهای آتو-ثانیه[۱] و زپتو-ثانیه[۲] شامل گرادیان انرژی ترا الکترون-ولت در هر سانتیمتر، شتاب دهنده‌ های یونی لیزری کم ‌حجم و پربازده و مادی سازی[۳] نور در خلأ را امکانپذیر می‌سازد.
در گذشته فشرده ‌سازی پالس لیزرهای پالسی کم انرژی مورد توجه بود. اخیراً امکان فشرده ‌سازی پالس‌های پتاوات با ده ‌ها ژول انرژی اثبات شده است. استفاده از این پالس­ها در کنار آینه پلاسمای نسبیتی سبب فشرده سازی بیشتر زمان تا چندین آتو-ثانیه شده‌ است و مسیری را به سوی پالسهای چند اگزاوات در یک رژیم تک‌ مرحله ‌ای اشعه ایکس[۴] باز کرده است.

 

برهم‌کنش پالس لیزر پرانرژی با یک خلأ کوانتومی، پیوندهای بین جفت ذرات مجازی را شکسته و آنها را تبدیل به ذرات حقیقی می­کند.

این روش‌های فشرده سازی پالس‌های با انرژی بالا، دریچه ای جدید به کاربردهایی مثل شتاب‌ دهنده‌ های یونی لیزری کم ‌حجم و پربازده، شتاب‌ دهنده ‌های ذره ترا الکترون-ولت کوچک و مادی سازی نور در خلأ باز خواهد کرد. علاوه بر این، پالس­های با پهنای آتو-ثانیه تا زپتو-ثانیه معمولاً در رژیم اشعه ایکس (۱ تا ۱۰ کیلوالکترون-ولت) هستند و مطالعه فیزیک پایه را در انرژی های ترا الکترون-ولت و فراتر از آن، شتاب ‌دهنده کیهانی، اثر غیرخطی در خلأ، میدان‌های جفت شده ضعیف نور-ماده مثل ماده سیاه و انرژی سیاه، فیزیک‌های تابش حول میدان شوینگر[۵] و اسپکتروسکوپی دینامیک زپتو-ثانیه در خلأ و نیز تولید منابع پروتون برای پروتون تراپی، ممکن می‌کند.

پالس­های کوتاه‌ تر و انرژی بیشتر
طی سال‌ها تحقیق درباره لیزرهای با انرژی بالا، به این نتیجه رسیدیم که دستیابی به قله توان بیشتر از ۱۰ پتاوات سبب افزایش انرژی پالس نخواهد شد. یک تلاش پر هزینه موجب شد پهنای پالس تا آتو-ثانیه و زپتو-ثانیه کاهش یابد [۱]. با این روش، توان اگزاوات به ‌سادگی با انرژی از مرتبه ژول بدست می ‌آید.
با کشف تقویت پالس­های چرپ ‌شده [۶](CPA) و بعدها CPA پارامتری اپتیکی (OPCPA) جهش قابل توجهی در قله توان پالس لیزری از مرتبه ۶ تا ۸ دیده شد که سبب افزایش توان از ۱۰^۱۵ تا  ۱۰^۲۲وات بر سانتیمتر مربع یا ۴ مرتبه بالاتر از سطحی که انرژی ارتعاش الکترون برابر با بقیه جرم آن است، شد (یا ۱۰^۱۸ وات بر سانتیمتر مربع از الکترون). این مسأله، خبر از بر هم کنش لیزر پلاسمای نسبیتی و رژیم چند اتمی شامل فیزیک هسته ­ای و ذرات می‌دهد [۲,۳]. سطح بعدی شدت، ما را به انرژی ارتعاشی برابر با بقیه جرم پروتون یا ۱۰^۲۵ وات بر سانتیمتر مربع می‌رساند. این شدت ­های بزرگ سبب پیشرفت و رقابت شرکتهای لیزری بزرگ اروپایی مثل ELI، LMJ و Apollon و دیگر مناطق در چین، روسیه و کره می‌شود. با این وجود هنوز نیاز است که برای ورود به ناحیه دینامیک کوانتوم غیر خطی به سمت شدت­های بیشتر در محدوده ۱۰^۲۹ وات بر سانتیمتر مربع حرکت کنیم.
مادی­ سازی نور-خلأ
استراتژی که در همکاری با ELI-NP (http://www.eli-np.ro) برای تولید محصول پربازده با انرژی بیشتر از ۱۰^۲۵ وات بر سانتیمتر مربع و پالس­های کمتر از آتو-ثانیه بکار برده ­ایم، ساده، کم هزینه و با استفاده از امکانات موجود پتا وات است. تکنیک فشرده­ سازی در دو مرحله انجام می­شود: ابتدا فشرده سازی پالس ۲۰ فمتوثانیه و ۲۰ ژول مادون قرمز به تک‌ پالس‌های مجزا انجام می‌گیرد این درحالیست که بیش از ۱۵ ژول انرژی باقی می‌ماند و سپس استفاده از یک آینه پلاسمای نسبیتی برای فشرده ­سازی قوی و مؤثر پالس از ۲٫۵ فمتوثانیه تا رژیم آتو-ثانیه و زپتو-ثانیه (^۲۱-۱۰ ثانیه مدنظر است).
تکنیک‌های فشرده ­سازی حال ‌حاضر از فیبر فیوز-سیلیکا یا فیبر میان تهی بسیار باریک که با گازهای نجیب پر شده ‌است تا پهنای طیفی مورد نیاز را تولید کنند، استفاده می‌کنند [۴-۶]. اگر چه این فیبرها فقط پالس‌های با انرژی کم از نانو تا میلی ژول را می­توانند تحمل کنند، اما گذار از یک تکنیک به دیگری، سبب افزایش شدید انرژی فشرده ­سازی خواهد شد ( شکل ۱).

 

 

شکل ۱- فشرده سازی در رژیم تک ‌پالس به پاسخ غیر خطی از یک پالس با شدت بالا درون یک فیبر تک مد و سپس یک گاز نجیب در یک استوانه میان ‌تهی بسیار باریک بستگی دارد. هر روش بیان می­کند که یک پالس ۲۰ فمتوثانیه ‌ای می‌تواند تا پهنای کمتر از ۵ فمتوثانیه در محدوده انرژی عملکردش فشرده شود. تکنیک لایه نازک برای افزایش بعدی انرژی در فشرده سازی پالس مادون قرمز نزدیک ارائه شده است [۱].

برای افزایش انرژی پالس تلاشهایی توسط کُرکان و رولاند انجام شده است [۷]. اثر غیرخطی ماده متأثر از پروفایل شدت گوسی باریکه است و مانع از فشرده ­سازی یکنواخت پالس به ‌جز برای ناحیه مرکزی نزدیک قله شدت می‌شود (غیریکنواختی فشرده سازی بالک را بشدت کم می‌کند).
برای حل مسأله یکنواختی، استفاده از لیزرهای پتاوات مدرن که دارای پالس­هایی با پروفایل تاپ-هت در دامنه و فاز در لایه ‌های بالک نازک هستند و برای تولید تک‌پالس­های مجزا با سطح توانی ده ‌ها ژول استفاده می‌شوند، پیشنهاد می‌شود (شکل۲). تکنیک فشرده سازی لایه نازک[۷] (TFC) براساس ورقه ­های نازک پلاستیکی ارزان ‌قیمت یا با صفحات شیشه ­ای کمتر از میلیمتر با ضخامت یکنواخت (اما نه لزوماً صاف) که در مسیر باریکه پالسی پتا وات قرار می‌گیرند تا خود مدولاسیون فازی[۸](SPM)  نسبتاً ثابت را در مقطع باریکه تولید کنند در حالیکه اتلاف انرژی را کمینه کنند، بنا شده‌ است. این مواد با دهانه ورودی بزرگ باید قادر به تحمل شات­های لیزری با شدت بالا باشند درحالی‌که شکسته نشوند و به ‌راحتی جایگزین شوند.

شکل ۲- دو مرحله برای فشرده ­سازی وجود دارد. ابتدا فشرده ­سازی لایه‌ نازک براساس اثر متقابل بین پهن­ شدگی طیفی تولید شده با خود‌مدولاسیون فازی (SPM) و پاشندگی سرعت گروه  (GVD)مورد نیاز برای پهن کردن پالس در یک لایه با دهانه بزرگ است. پالسی که در مقایسه با پالس اولیه با افزایش محتوای طیفی، به طور خطی چرپ فرکانسی می‌شود، می‌تواند با المان‌های پاشنده‌ ای مثل آینه‌ های چرپ، فشرده شود. مرحله دوم فشرده­ سازی نیاز به دریافت تک ‌پالس مجزا با فوکوس مناسب دارد تا یک میدان شدت نسبیتی را برای پلاسمای هدف جامد به کار بگیرد و به پالس اشعه ایکس تبدیل کند.

در شبیه­ سازی ­های عددی انجام شده فرض می­کنند که یک لایه پلاستیکی با لیزر برهم کنش انجام میدهد، مشابه این کار در آزمایشگاه لیزر پتاوات CETAL PW در مؤسسه لیزر پلاسمای رادیوفیزیک در رومانی (INFLPR; Magurele,Romania) نشان داد که پالس­های با انرژی ۲۷ ژول و پهنای ۲۷ فمتوثانیه در طول موج ۸۰۰ نانومتر، قابل فشرده سازی به پالس ۳ فمتوثانیه (به ‌صورت تک‌ پالس مجزا در ۸۰۰ نانومتر) با استفاده از دو مرحله لایه نازک است [۸].
میزان بازدهی طرح ارائه شده، امکان چند مرحله فشرده سازی و رسیدن به هدف مطلوب را فراهم می­کند. توجه داریم که فوکوس شدید این تک بسته مجزا یک بیضی‌گون با ابعاد را در فضا تشکیل می­دهد.
برای فشرده سازی بیشتر تک ‌پالس مجزای NIR به پالس زپتو و آتو-ثانیه، از یک سطح بازتابان که با لیزر درایو می‌شود، استفاده می­کنیم که تحت اثر پالس بسیار قوی به داخل و خارج حرکت می­کند. در این نقطه، شدت در محدوده ۱۰^۲۳ وات بر سانتیمتر مربع است و نور فشار بسیار بالایی وارد می‌کند و میتواند سطح بحرانی را در سرعت­های نسبیتی حرکت دهد. در این رژیم نسبیتی، نومووا و همکارانش پیش­بینی کردند پهنای پالس بازتابی  T(که با حرکت نسبیتی آینه به سمت پالس فشرده می­شود) به صورت زیر تعیین می­شود:
T=600(attosecond)/a₀
که در آن a₀ بردار نرمالیزه شده پتانسیل پالس لیزری است که به ۱۰^۱۸ وات بر سانتیمتر مربع بهنجار شده و به عنوان ریشه دوم شدت مقیاس بندی می­شود [۹]. در ۱۰^۲۳ وات بر سانتیمتر مربع، a₀ حدود ۵۰۰ و بنابراین یک پالس یک آتو-ثانیه می­تواند تولید شود. این نکته حائز اهمیت است که ۱ ژول انرژی بازتابی رسیده از یک پالس آتو-ثانیه، برای رسیدن به سطح توان اگزا وات کافی است.

الکترون پر انرژی و شتاب دهی یون
فوتون­های با فرکانس بالا یک مزیت برای تحریک wakefilde ها در ماده‌ چگال هستند. روش اصلی برای افزایش بهره انرژی شتاب wakefiled لیزر (LWFA)، کاستن چگالی پلاسما برای یک فرکانس لیزری ثابت است. این بر اساس تکنیک مشهور مقیاس بندی wakefiled لیزر است [۱۰].
در LWFA بهره انرژی با چگالی بحرانی پلاسما محدود می­شود و در شدت بالای LWFA، بهره انرژی بصورت زیر خواهد بود:
ε_e= a₀² mc²(n_c/n_e)
که در آن n_e چگالی الکترون است. چگالی بحرانی پلاسما، n_c، با فرکانس لیزر تعریف می­شود و با افزایش فرکانس فوتون یا انرژی، افزایش می­یابد. برای فوتون­های اپتیکی ۱ الکترون-ولت، n_c حدود ۱۰^۲۱ بر سانتیمتر مربع است در حالیکه برای فوتون­های پرتوی ایکس با ۱۰ کیلو الکترون-ولت، n_c حدود ۱۰^۲۹ بر سانتیمتر مربع است و  به ‌راحتی فراتر از چگالی جامدات است.
رویکرد جدید ما به سمت بهره انرژی بیشتر (و حتی شتاب ‌دهنده­ های کوچک‌تر و کم ‌حجم‌تر) برای افزایش انرژی فوتون به سطح پرتو ایکس با حفظ نسبت n_c/n_e بزرگ بدون کوچک کردن n_e است. بنابراین دست‌یابی به فوتون با انرژی بالاتر سبب حصول بهره انرژی بیشتر می­شود که یک مزیت مهم پلاسمای با چگالی بالاتر، توانایی آن در حفظ گرادیان شتاب بیشتر است.
با استفاده از درایو پرتو ایکس در شتاب‌ دهندگی wakefield، می‌توان در شتاب‌ دهنده در فاصله‌ های کوتاه ‌تر به انرژی‌های بالاتر در حدود ترا الکترون-ولت در تنها چند سانتی متر رسید که حدود ۱۰^۳ برابر نتایج قبلی (زمان استفاده از لیزرهای گازی) و ۱۰^۶ برابر تکنولوژی رادیو فرکانسی امروز است.
تا به امروز، این سطوح از انرژی تنها در  CERN(ژنو-سوئیس) بدست آمده و بجای چند سانتی­متر، چندین کیلومتر لازم دارد تا با استفاده از تجهیزات لیزری مثل ابزارهای پتاوات که اخیراً ساخته شده ‌است، تولید شود.
در بین ماده‌ چگال‌ها، نانو مواد دارای نانو سوراخ­ها انتخاب شده اند [۱۱]. علاوه بر این، فشرده­ سازی لیزرهای اپتیکی به تک ‌پالس‌های مجزا (حتی قبل از فشرده­ سازی به لیزر پرتو ایکس) کاربردهای اساسی به عنوان درایور شتاب‌ دهنده یون دارد (شکل۳). شتاب ‌دهی پر بازده، کم ‌حجم و همدوس یونها با نیروی پاندرماتیو[۹] یک تک ‌پالس مجزا لیزر، سبب تولید پالس­های ۱ گیگا‌ الکترون-ولت با کیفیت بالا و بدون ناپایداری که ناشی از سایر روش­های تولید لیزر است، می‌شود. بهره انرژی بالایی در این رژیم لیزری دیده می­شود [۱۲].

 

شکل ۳- تک ‌پالس لیزر، یونها را به صورت همدوس بعد از خروج از لایه نازک یک ماده چگال شتاب می‌دهد.

به طور خلاصه، امروزه لیزرهای با قله ‌توان بالا، که پالس­های پتاوات با پروفایل تاپ-هت تولید می­کنند و از چندین فشرده ساز صفحه/لایه نازک ترکیب شده ­اند، قادر به تولید پالس­های ۱۰۰ پتاواتی به ‌صورت تک ‌پالس‌های مجزای ۲٫۵ فمتوثانیه هستند. پیش بینی شده است که برهم کنش حالت فوکوس‌ شده و در حد پراش این لیزرها با جامدات، پالس­های آتو-ثانیه یا حتی زپتو-ثانیه با چندین اگزاوات توان در رژیم پرتو ایکس تولید خواهد کرد که در شتاب‌ دهندگی درون کریستال و رسیدن به رژیم ترا الکترون-ولت در سانتی متر کاربرد دارد.
این دستاوردها فقط شامل موارد ذکر شده در فیزیک انرژی بالا نیست، بلکه یک منبع فشرده از پروتون، نوترون و میون­ها با کاربردهای وسیع در فیزیک پایه و برای کاربردهای عمومی مثل پروتون ‌تراپی یا  استحاله زباله هسته ­ای را پی ­ریزی می­کند.

 
References
1. G. Mourou et al., Eur. Phys. J. Spec. Top., 223, ۱۱۸۱ (۲۰۱۴).
۲٫ D. Strickland and G. Mourou, Opt. Commun., 56, 219–۲۲۱ (۱۹۸۵).
۳٫ A. Dubietis et al., Opt. Commun., 88, 437–۴۴۰ (۱۹۹۲).
۴٫ D. Grischkowsky, Appl. Phys. Lett., 41, 1, 1–۳ (۱۹۸۲).
۵٫ R. L. Fork et al., Opt. Lett., 12, 7, 483–۴۸۵ (۱۹۸۷).
۶٫ M. Nisoli et al., Appl. Phys. Lett., 68, 20, 2793–۲۷۹۵ (۱۹۹۶).
۷٫ C. Rolland and P. B. Corkum, J. Opt. Soc. Am. B, 5, 3, 641–۶۴۷ (۱۹۸۸).
۸٫ M. Guillaume et al., CLEO ۲۰۱۳ paper CTh5C.5 (2013).
9. N. M. Naumova et al., Phys. Rev. Lett., 92, ۰۶۳۹۰۲ (۲۰۰۴).
۱۰٫ T. Tajima and J. M. Dawson, Phys. Rev. Lett., 43, 4, 267–۲۶۹ (۱۹۷۹).
۱۱٫ T. Tajima, Eur. Phys. J. Spec. Top., 223, ۱۰۳۷ (۲۰۱۴).
۱۲٫ T. Esirkepov et al., Phys. Rev. Lett., 92, ۱۷۵۰۰۳ (۲۰۰۴).
 
Source: http://www.laserfocusworld.com/articles/print/volume-52/issue-04/features/high-energy-lasers-extreme-light-in-zeptoseconds.html
 

---