Single-shot spatiotemporal characterization of ultrashort lasers based on spectral interferometry with fiber array

Waarom krachtige laserpulsen zorgvuldig gecontroleerd moeten worden

Moderne superlasers kunnen kortstondig meer vermogen uitstralen dan al het vermogen dat op aarde wordt gebruikt, en wetenschappers zetten ze in om extreme fysica te onderzoeken, van het creëren van deeltjesbundels tot het nabootsen van omstandigheden in sterren. Maar deze ultrakorte, ultra-intense pulsen zijn alleen nuttig als hun licht zowel ruimtelijk als temporeel perfect is gevormd. Zelfs kleine vervormingen kunnen de focus sterk verzwakken en experimenten misleiden. Dit artikel introduceert een nieuwe manier om een gedetailleerde "momentopname" van zulke laserpulsen in één enkele opname te maken, waardoor het veel eenvoudiger wordt om ’s werelds krachtigste lasers af te stemmen.

Een nieuwe manier om een laserpuls te bekijken

De auteurs presenteren een techniek genaamd SIFAST, een afkorting voor "spectral interferometry with fiber array for single-shot spatiotemporal characterization." In gewone bewoordingen stelt SIFAST onderzoekers in staat te bepalen hoe een laserpuls zowel over zijn dwarsdoorsnede verdeeld is als over zijn vluchtige duur, alles tegelijk. Traditionele camera’s kunnen maar twee dimensies tegelijk vastleggen, dus oudere methoden moesten de bundel punt voor punt scannen of de meting over veel schoten herhalen — onpraktisch voor enorme petawatt-lasersystemen die misschien maar enkele keren per uur vuren. SIFAST overwint deze beperking door de informatie op een slimme manier te herschikken, zodat een enkele meting de volledige driedimensionale structuur van de puls vastlegt.

Hoe vezels een bundel in data veranderen

In het hart van SIFAST ligt een speciaal geconstrueerde bundel dunne glasvezels. Eerst wordt de inkomende laserbundel in twee paden gesplitst: een "test"-bundel, waarvan de vorm onbekend is, en een "referentie"-bundel die is gemaakt van een klein, zorgvuldig opgeschoond deel van hetzelfde licht. Deze twee bundels overlappen en interfereren met elkaar, en produceren subtiele patronen die coderen hoe hun golven verschillen in ruimte en kleur. In plaats van een camera te laten worstelen om een complex patroon in één keer vast te leggen, bemonstert de vezelbundel de bundel op vele punten in een raster en herschikt die punten fysiek tot een enkele lijn aan de uitgang. Deze lijn van vezels voedt een beeldvormend spectrometer, dat de kleuren spreidt en een keurig raster van interferentiepatronen registreert, één voor elk punt op de oorspronkelijke bundel.

De vorm van de laser in ruimte en tijd herbouwen

Uit deze vastgelegde patronen gebruikt het team eenvoudige wiskundige middelen — voornamelijk Fourier-transformaties — om eruit te halen hoe de lichtgolf zich op elk bemonsterd punt ontwikkelt. Omdat de test- en referentiebundels bijna gelijktijdig door dezelfde vezels reizen, vallen willekeurige verstoringen die normaal het golffront zouden verstoren grotendeels weg, wat een zuiver beeld oplevert. De methode herstelt zowel de intensiteit als de fase van het licht, die samen het volledige elektrische veld van de puls bepalen. In praktische zin kan SIFAST de driedimensionale structuur van een puls reconstrueren met bijna tweehonderd bemonsteringspunten in ongeveer vijf seconden, snel genoeg voor routinematige bewaking en feedback in grote laserfaciliteiten.

De methode aan de tand voelen

Om te demonstreren wat SIFAST kan, onderzochten de onderzoekers verschillende veeleisende typen laserbundels. Ze maten eerst een goedgedragen Gaussiaanse bundel om het systeem te kalibreren, en bevestigden dat de pulsvlakte — het oppervlak waar de puls zijn maximum bereikt — extreem vlak was, zoals verwacht. Vervolgens bekeken ze "vortex"-bundels, waarvan de golfvlakken als kurkentrekkers draaien en die in geavanceerde optische experimenten worden gebruikt. SIFAST reproduceerde met succes de helixpatronen die bij verschillende vortexsterkten horen. Daarna introduceerden ze een gecontroleerde kanteling in de pulsvlakte met een glasprisma, en SIFAST mat zowel de kanteling als de kleurafhankelijke rotatie van het golfvlak nauwkeurig. Ten slotte pasten ze de techniek toe op een vier-grepencompressor, een belangrijk onderdeel in veel hoogvermogenlasers, en toonden aan dat SIFAST kon volgen hoe kleine hoekaanpassingen aan één rooster de pulsvlaktekanteling veranderden, in overeenstemming met theoretische voorspellingen.

Waarom dit ertoe doet voor extreem licht

De studie laat zien dat SIFAST een snelle, betrouwbare en flexibele manier biedt om de volledige ruimte-en-tijd-structuur van ultrakorte laserpulsen in één schot te monitoren. Voor gigantische petawatt-faciliteiten, waar elke puls kostbaar is en bundelgroottes enorm, is dit soort realtime diagnostisch gereedschap cruciaal. Het stelt operators in staat subtiele vervormingen te detecteren en te corrigeren die anders de intensiteit in de focus drastisch zouden verlagen, en het helpt onderzoekers experimentresultaten met meer vertrouwen te interpreteren. In wezen geeft SIFAST wetenschappers een helder driedimensionaal beeld van enkele van de meest extreme lichtflitsen ooit gemaakt, en effent het de weg voor preciezere en krachtigere experimenten in hoogveld-fysica.

Bronvermelding: Xu, Y., Shen, X., Chen, R. et al. Single-shot spatiotemporal characterization of ultrashort lasers based on spectral interferometry with fiber array. Commun Phys 9, 151 (2026). https://doi.org/10.1038/s42005-026-02581-z

Trefwoorden: ultrakorte lasers, petawatt-laserdiagnostiek, ruimtelijk-temporele pulscharacterisatie, spectrale interferometrie, vezelarray-technieken