Hoogenergetische 1,53-cycluspulsen via homogene nabeperking in een enkele dunne plaat

Waarom het verkleinen van lichtpulsen ertoe doet

Lichtpulsen die slechts een paar biljardsten van een seconde duren vormen al de ruggengraat van geavanceerd onderzoek, van het volgen van elektronenbewegingen tot het aandrijven van compacte deeltjesversnellers. Dit werk toont hoe zulke flitsen nog korter gemaakt kunnen worden — tot nauwelijks meer dan één cyclus van een lichtgolf — terwijl hun energie hoog blijft en de bundel schoon. Het uitvoeren hiervan met een eenvoudig stuk glas in plaats van een omvangrijke, complexe opstelling kan laboratoria wereldwijd toegang geven tot extreem licht om materie op haar snelste tijdschalen te bestuderen.

Een lange flits omvormen tot een kleine uitbarsting

De auteurs beginnen met een geavanceerd lasersysteem dat zeer korte, hoogenergetische pulsen levert: 5 millijoule aan energie verpakt in 7,7 femtoseconde bij een golflengte rond 800 nanometer. In plaats van deze bundel door lange gascellen of ingewikkelde optische banen te sturen, richten ze een brede, vlakke bundel op een enkele dunne plaat van gefuseerd silica‑glas van slechts 1 millimeter dik. In het glas verandert het intense licht terwijl de puls passeert lichtjes de brekingsindex van het materiaal, waardoor de kleur van het licht in de tijd wordt ‘‘gedraaid’’. Dit zelfinduceerde effect spreidt het spectrum van de puls over een grotere reeks kleuren, wat in principe toestaat de puls in de tijd korter te comprimeren.

Gecontroleerde verbreding zonder rommelige bijwerkingen

Wanneer pulsen te agressief verbreed worden, kan hun spectrum rafelig raken, waardoor ze moeilijk schoon te hercomprimeren zijn. Hier werkt het team bewust in een gematigd regime: het spectrum verbreedt tot ongeveer een factor drie, maar blijft glad, met slechts kleine rimpelingen. In de meest extreme instelling zou het spectrum theoretisch pulsen kunnen ondersteunen van ongeveer 2,8 femtoseconde — net iets meer dan een enkele cyclus van het lichtveld. Voor praktisch gebruik kiezen ze een iets minder extreme verbreding die nog steeds sub‑4‑femtoseconde pulsen oplevert, terwijl constante hoge belasting van het glas die bij zeer intensief gebruik optreedt wordt vermeden.

Het lichtveld samenpersen en meten

Na de glasplaat wordt de verbrede puls door een compacte compressor gestuurd die bestaat uit speciaal ontworpen spiegels en dunne glaswiggen die precies de juiste vertraging voor elke kleur inbrengen. Met een precieze meetmethode gebaseerd op het genereren van de tweede harmonische van de puls en het scannen van de dispersie reconstrueren de onderzoekers de puls in de tijd. Ze demonstreren pulsen zo kort als 3,8 femtoseconde, wat overeenkomt met ongeveer 1,5 oscillaties van het lichtveld, met ruwweg twee derden van het ideale piekvermogen behouden. Een eenvoudige computermodel dat de bundel als ruimtelijk uniform behandelt, reproduceert met succes de gemeten spectra en de belangrijkste pulskenmerken, wat laat zien dat het complexe proces met relatief eenvoudige berekeningen vastgelegd kan worden.

De bundel schoon en gefocusseerd houden

Ultrakorte pulsen zijn alleen nuttig als ze scherp op een doel gefocusseerd kunnen worden. Intens licht in een vaste stof kan gemakkelijk de bundelvorm vervormen, maar het vlak‑top invoerprofiel helpt om het verbrede spectrum nagenoeg gelijk te houden over de bundel: de ruimtelijk‑spectrale uniformiteit blijft beter dan 97 procent. De auteurs analyseren ook het golffront — de gedetailleerde vorm van de fase van de bundel — en vinden dat hoewel er enkele vervormingen optreden, vooral astigmatisme, deze grotendeels gecorrigeerd kunnen worden met een vervormbare spiegel. Met deze adaptieve optiek ingeschakeld bereikt de focuskwaliteit van de bundel, uitgedrukt als de Strehl‑verhouding, 0,88 zelfs na sterke niet‑lineaire interactie, wat betekent dat het merendeel van de energie nog steeds in een scherp centraal punt terechtkomt.

Wat dit betekent voor extreemlicht‑wetenschap

Door te laten zien dat een enkele, dunne glasplaat reeds korte, energetische pulsen kan omzetten in bijna eencycluspulsen terwijl de bundel glad en goed focusseerbaar blijft, wijst deze studie op een compacte route naar nog krachtigere "few‑cycle" lichtbronnen. Dergelijke pulsen zijn bijzonder waardevol voor het genereren van attosecondeflitsen in gassen en voor het efficiënt aandrijven van plasma‑gebaseerde deeltjesversnellers, waar de prestatie sterk verbetert naarmate de pulslengte afneemt. Omdat de opstelling zich natuurlijk naar hogere energieën schaalt en met eenvoudige hulpmiddelen kan worden gemodelleerd, biedt het een praktische blauwdruk voor laboratoria die de volgende generatie ultrakorte, hoogenergetische lasersystemen willen bouwen.

Bronvermelding: 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

Trefwoorden: ultrakorte laserpulsen, spectrale verbreding, dunne-plaat nabeperking, attoseconde wetenschap, laser-plasma versnelling