نبضات تيراواط في دورتين فقط: ليزر الإتيربيوم ينضغط إلى أقصى حد

الأصل: "Sub-2-Cycle, Terawatt Pulses via Double-Stage Multi-Pass Cell Compression of an Yb Laser"

· Victor Koltalo, Jaismeen Kaur, Louis Daniault, Antoine Cavagna, Mickael Allemand, Florent Pallas, Antoine Courjaud, Emilien Gontier, Cédric Sire, François Sylla, Rodrigo Lopez-Martens

arXiv:2609.04989v1 · 2026-09-04 · CC BY 4.0 · 3 دقيقة

بصريات

ضغطٌ على مرحلتين في خلايا متعددة المسارات يحوّل نبضات 400 فيمتوثانية من ليزر إتيربيوم تجاري إلى نبضات 6.2 فيمتوثانية بقدرة ذروة 1.4 تيراواط.

السياق

يقع هذا العمل عند تقاطع اتجاهين: من ناحية، الأبحاث المجاورة (مثل [2606.07147] و[2605.17491]) تطور أساليب الضغط اللاحق في الخلايا متعددة المسارات لأنظمة ليزر مختلفة، ومن ناحية أخرى، تتطلب أعمال التسريع بالليزر-البلازما نبضات أقصر وأقوى بشكل متزايد. ليزرات الإتيربيوم جذابة بسبب متوسط قدرتها العالي وقابليتها للتوسع، لكن نبضاتها الأصلية طويلة جدًا (مئات الفيمتوثواني) للاستخدام المباشر في التسريع. لذلك أصبح الضغط اللاحق حلقة رئيسية. هذا العمل يسد فجوة: العروض السابقة إما حققت مدة أقل من دورتين بطاقة أقل، أو طاقة أكبر بمدة أطول، لكنها لم تجمع بين المعلمتين عند تردد كيلوهرتز.

المنهجية

تم تمرير نبضات ليزر MAGMA25 التجاري (18 ملي جول، 400 فيمتوثانية، 1 كيلوهرتز) عبر خليتين متتاليتين متعددتي المسارات. الخلية الأولى (من نوع هيريوت) مملوءة بالأرجون عند ضغط 140 ملي بار وتوفر 29 مسارًا، والثانية (مصفوفية) مملوءة بالهيليوم عند 500 ملي بار وتوفر 9 مسارات. تمديد الطيف عبر تعديل الطور الذاتي في الغاز صاحبه تعويض التشتت بمرايا مزغشة: تسع مرايا عوضت -1800 فيمتوثانية² بعد الخلية الأولى، وزوج إضافي من المرايا عوض -120 فيمتوثانية² بعد الثانية. للتشخيص استُخدم d-max (قياس المظهر الزمني)، ومطياف تصويري (التجانس المكاني-الطيفي)، ومقياس ملف الحزمة (البقعة البؤرية).

النتائج

بعد الضغط على مرحلتين، بلغت مدة النبضة 6.2 فيمتوثانية (1.8 دورة بصرية عند طول موجة 1030 نانومتر)، والطاقة 12.5 ملي جول، مما يعطي قدرة ذروة 1.4 تيراواط. وصل عامل الضغط إلى 65. التجانس المكاني-الطيفي عالٍ: معامل V يتجاوز 95% عند مستوى 50% من الشدة القصوى و90% للمخططات الطيفية. البقعة البؤرية بحجم 5.8 ميكرومتر × 5.4 ميكرومتر، وداخل القطع الناقص 1/e² يحتوي على 83.4% من الطاقة. الشدة القصوى قُدرت بـ 1.2×10¹⁹ واط/سم²، وهو ما يقابل a0 = 3.0. استقرار التوجيه بلغ 0.18 ميكرومتر (حوالي 3% من قطر الحزمة) على مدى 18 دقيقة.

الأهمية

يُظهر هذا العمل أن ليزر إتيربيوم تجاري يمكن تحويله إلى مصدر نبضات تيراواطية دون دورتين عبر مخطط مضغوط نسبيًا على مرحلتين. على عكس الأعمال المجاورة حيث غالبًا ما يقتصر الضغط على خلية واحدة أو طاقات أصغر، هنا تحقق توازن قياسي لأنظمة الإتيربيوم المضغوطة لاحقًا بين المدة والطاقة وتردد التكرار. هذا يفتح الطريق للاستخدام العملي لهذه الليزرات في تسريع الإلكترونات بالليزر-البلازما بتردد تكرار عالٍ، وهو أمر مهم لتطبيقات في الطب والفحص غير المتلف ومصادر الإشعاع.

التطور المستقبلي

مزيد من تقليص المدة إلى دورة واحدة سيتطلب مرايا بنطاق انعكاس أوكتافي أو مرحلة ضغط إضافية للتحكم الأدق في الطيف. توسيع الطاقة ممكن باستخدام أنماط لاغير-غاوس الأعلى، التي توزع الفيض بشكل أكثر انتظامًا وتسمح بتجاوز القيد على كثافة طاقة الذروة على المرايا. رفع متوسط القدرة سيتطلب ركائز مرايا عالية التوصيل الحراري وتبريدًا نشطًا.

التأثير

تسريع الإلكترونات بالليزر-البلازما، توليد إشعاع ثانوي (أشعة سينية، غاما)، دراسة العمليات فائقة السرعة في المادة.

الخطوات التالية

إجراء قياسات للتباين الزمني للنبضات بنطاق ديناميكي عالٍ لتقييم ملاءمتها للتجارب الحساسة. دراسة إمكانية استخدام الأنماط الأعلى لزيادة الطاقة دون زيادة الأبعاد.

المسائل المفتوحة الرئيسية

بالنسبة لفيزياء الليزر، تظل المشكلة الرئيسية غير المحلولة هي تحقيق مدة قصيرة للغاية وطاقة عالية وتردد تكرار عالٍ في وقت واحد دون فقدان جودة الحزمة. يُظهر هذا العمل أن الضغط اللاحق على مرحلتين في خلايا متعددة المسارات يمكن أن يقترب من هذا الحد لليزرات الإتيربيوم، لكن أسئلة التأثيرات الحرارية عند توسيع القدرة والتحكم في طور الموجة الحاملة تظل مفتوحة.

النبضة التي تبلغ مدتها 6.2 فيمتوثانية قصيرة جدًا لدرجة أن الضوء يقطع خلالها 1.86 ميكرومتر فقط، أي أقل من سمك شعرة الإنسان.

a_0 = 0.85 \sqrt{I[10^{18} \text{ Вт/см}^2] \lambda^2[\text{мкм}]}

سعة مجال الليزر اللامبعدية التي تحدد نمط التفاعل مع البلازما؛ عند a0 > 1 تصبح الإلكترونات نسبوية.

C = 0.59B + 1

صيغة تجريبية تربط عامل الضغط C بتراكم الطور اللاخطي B؛ من أجل C=65 يلزم B≈100 راديان.

أرقام رئيسية

مدة النبضة: 6.2 فيمتوثانية (1.8 دورة بصرية)
طاقة النبضة: 12.5 ملي جول
القدرة القصوى: 1.4 تيراواط
تردد التكرار: 1 كيلوهرتز
الجهد المتجهي المعياري: a0 = 3.0

أنا المؤلف