פלסים אנרגטיים גבוהים של 1.53 מחזורים באמצעות פוסט‑דחיסה הומוגנית בגיליון דק יחיד

מדוע הקטנת פולסים של אור חשובה

פלסי אור שאורכם רק כמה קוודְריליוניות השנייה כבר מהווים בסיס למחקרים מתקדמים, החל מצפייה בתנועת אלקטרונים ועד להנעת מאיצי חלקיקים קומפקטיים. עבודה זו מראה כיצד לקצר פלאשים כאלה עוד יותר — עד כמעט מחזור אחד של גלי האור — תוך שמירה על אנרגיה גבוהה וטמפרת קרן נקייה. ביצוע זה באמצעות חתיכת זכוכית פשוטה במקום מערכת נרחבת ומורכבת עשוי לאפשר למעבדות ברחבי העולם גישה לאור קיצוני למחקר חומרים על קני הזמן המהירים ביותר שלהם.

הפיכת פלאש ארוך לפולס זעיר

המחברים מתחילים ממערכת לייזר מתקדמת המייצרת פולסים קצרים מאוד ובעלי אנרגיה גבוהה: 5 מיליג'ול מקורזים ל‑7.7 פמטו‑שניות באורך גל בסביבות 800 ננומטר. במקום להעביר את הקרן דרך תאי גז ארוכים או מסלולים אופטיים מסובכים, הם מרכיבים קרן רחבה בעלת חתך שטוח דרך גיליון יחיד של זכוכית פיוזד סיליקה בעובי של 1 מילימטר בלבד. בתוך הזכוכית, האור העז משנה במעט את מקדם השבירה של החומר בזמן חלוף הפולס, מה שעיוות את צבע האור לאורך הזמן. אפקט זה, שמקורו בעצמו בפולס, מרחיב את ספקטרום הפולס לטווח רחב יותר של צבעים, ובאופן עקרוני מאפשר לדחוס את הפולס לזמן קצר יותר.

רחיבה מבוקרת ללא תופעות לוואי מבולגנות

כאשר פולסים מרחיבים באופן תוקפני מדי, הספקטרום עלול להפוך לגס וקשה לדחיסה מחדש בניקיון. כאן הצוות פועל במצב מתון מכוּוון: הספקטרום מתרחב בערך פי שלוש, אך נשאר חלק, עם רק גלים זעירים. בהגדרה הקיצונית ביותר, הספקטרום תאורטית יכול לתמוך בפולסים קצרים עד כ‑2.8 פמטו‑שניות — מעט יותר ממחזור בודד של שדה האור. להפעלה פרקטית הם בוחרים הרחבה מעט פחות קיצונית שעדיין מניבה פולסים תת‑4‑פמטו‑שניות תוך הימנעות ממתח גבוה מתמשך על הזכוכית שפעולה אינטנסיבית מאוד הייתה יוצרת.

דחיסה ומדידת גל האור

לאחר גיליון הזכוכית, הפולס המורחב מועבר דרך מדחס קומפקטי המורכב ממרקעים ומכווונים מזכוכית דקים שתוכננו כך שיביאו לאיחורים מתאימים לכל צבע. באמצעות טכניקת מדידה מדויקת המבוססת על יצירת ההרמוניקה השנייה של הפולס וסריקת הדיספרסיה שלו, החוקרים משחזרים את צורת הפולס בזמן. הם מדגימים פולסים קצרים עד 3.8 פמטו‑שניות, המקבילים לכ‑1.5 תנודות של שדה האור, כשכ‑2/3 מהעוצמה השיאית האידיאלית נשמרת. מודל מחשב פשוט המטפל בקרן כאחידה במרחב משחזר בהצלחה את הספקטרות והתכונות העיקריות של הפולס המדוד, ומראה שהתהליך המורכב ניתן לתיאור באמצעות חישובים יחסית פשוטים.

שמירה על קרן נקייה וממוקדת

פלסים קצרים מאוד שימושיים רק אם ניתן להתמקד אותם חזק למטרה. אור אינטנסיבי במוצק עלול לעוות בקלות את צורת הקרן, אך פרופיל הקליפה השטוח של הקלט מסייע לשמור שהספקטרום המורחב כמעט זהה בכל רוחב הקרן: אחידות המרחב‑ספקטרום נשארת טובה מ‑97 אחוז. המחברים גם מנתחים את משטח‑הגל — הצורה המפורטת של פאזה הקרן — ומגלים שלמרות שעיוותים מסוימים מופיעים, בעיקר אסיגמטיות, ניתן לתקןם במידה רבה באמצעות מראה מעוותת. כשאופטי זה מותאם, איכות המיקוד של הקרן, המתמצתת ביחס סטרהל, מגיעה ל‑0.88 גם לאחר אינטראקציה לא־ליניארית חזקה, כלומר רוב האנרגיה עדיין ממוקדת בנקודה מרכזית חדה.

מה המשמעות למחקר אור קיצוני

בהדגמה שגיליון זכוכית דק יחיד יכול להפוך פולסים קצרים ועתירי אנרגיה לפולסים של כמעט מחזור אחד תוך שמירה על קרן חלקה וניתנת למיקוד, המחקר מצביע על מסלול קומפקטי לכיוון מקורות אור "מספר‑מחזורים" חזקים עוד יותר. פולסים כאלה חשובים במיוחד ליצירת פלאשים אטו‑שניות בגזים ולהנעת מאיצי חלקיקים מבוססי פלזמה יעילים, שבהם הביצועים משתפרים משמעותית ככל שאורך הפולס מתקצר. מאחר שהמערכת ניתנת להגדלה לאנרגיות גבוהות יותר וניתן למודל אותה בכלים פשוטים, היא מציעה מתווה פרקטי למעבדות השואפות לבנות מערכות לייזר דור הבא — קצרים במיוחד ובעוצמה גבוהה.

ציטוט: Jansonas, G., Karvelis, D., Gadonaitė, P. et al. High energy 1.53-cycle pulses via homogeneous post-compression in a single thin-plate. Sci Rep 16, 10452 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-40980-y

מילות מפתח: פלסי לייזר קצרים במיוחד, רחיבת ספקטרום, פוסט‑דחיסה בגיליון דק, מדע האטו‑שנייה, האצה עם פלזמה לייזרית