Högeffektiva 1,53-cykels pulser via homogen efterkomprimering i en enda tunn platta

Varför det spelar roll att krympa ljuspulser

Ljuspulser som varar bara några biljondelar av en miljarddels sekund ligger redan bakom spetsforskning, från att iaktta elektroners rörelser till att driva kompakta partikelacceleratorer. Denna studie visar hur man kan göra sådana blixtar ännu kortare — ner till knappt mer än en ljusvågs cykel — samtidigt som energin hålls hög och strålen ren. Att åstadkomma detta med ett enkelt glasstycke i stället för en skrymmande, komplicerad uppställning kan göra extremt ljus mer tillgängligt för laboratorier världen över för att studera materia på dess snabbaste tidsskala.

Att förvandla en lång blixt till ett litet utbrott

Författarna börjar med ett avancerat lasersystem som levererar mycket korta, högeffektiva pulser: 5 millijoule energi packade i 7,7 femtosekunder vid en våglängd nära 800 nanometer. Istället för att låta strålen passera genom långa gaskammare eller invecklade optiska banor skickar de en bred, platt‑toppad stråle in i en enda tunn platta av smält kiselsand (fused silica) som är endast 1 millimeter tjock. Inne i glaset förändrar det intensiva ljuset något materialets refraktiva index när pulsen passerar, vilket tidsförskjuter ljusets färg. Denna självinducerade effekt sprider pulsen spektrum över ett bredare färgområde, vilket i princip gör det möjligt att pressa pulsen kortare i tiden.

Kontrollerad utbredning utan stökiga sidoeffekter

När pulser breddas alltför aggressivt kan deras spektrum bli ojämnt, vilket gör dem svåra att rekonstruera rent. Här arbetar teamet medvetet i ett måttligt regime: spektret breddas med upp till ungefär en faktor tre, men förblir jämnt med endast små vågigheter. I det mest extrema läget skulle spektret teoretiskt kunna stödja pulser så korta som cirka 2,8 femtosekunder — strax över en enda cykel av ljusfältet. För praktisk användning väljer de en något mindre extrem breddning som ändå ger sub‑4‑femtosekundspulser samtidigt som det undviker den konstanta höga påfrestningen på glaset som mycket intensiv drift skulle medföra.

Att pressa ihop och mäta ljusvågen

Efter glasplattan skickas det utbredda pulset genom en kompakt kompressor bestående av specialdesignade speglar och tunna glasklinor som inför just de fördröjningar som krävs för varje färg. Med en precis mätmetod baserad på att generera pulsfältets andraharmoniska och skanna dess dispersion rekonstruerar forskarna pulsen i tiden. De visar pulser så korta som 3,8 femtosekunder, motsvarande ungefär 1,5 svängningar av ljusfältet, med ungefär två tredjedelar av den ideala toppkraften bevarad. En enkel datormodell som behandlar strålen som rumsligt homogen återger framgångsrikt de uppmätta spektren och pulsegenskaperna, vilket visar att den komplexa processen kan fångas med relativt enkla beräkningar.

Att hålla strålen ren och fokuserbar

Ultrakorta pulser är bara användbara om de kan fokuseras tätt mot ett mål. Intensivt ljus i ett fast ämne kan lätt deformera strålens form, men det platta inmatningsprofilen hjälper till att hålla det utbredda spektret nästintill likartat över strålen: den rum‑spektrala enheten förblir bättre än 97 procent. Författarna analyserar också vågfronten — strålens fasfördelning — och finner att även om vissa distortioner uppträder, särskilt astigmatism, kan dessa i stor utsträckning korrigeras med en deformbar spegel. Med denna adaptiva optik aktiverad når strålens fokus­kvalitet, uttryckt som Strehl‑kvoten, 0,88 även efter stark icke‑linjär påverkan, vilket betyder att större delen av energin fortfarande hamnar i en skarp central fläck.

Vad detta innebär för extremt ljus

Genom att visa att en enda tunn glasplatta kan förvandla redan korta, energirika pulser till nästan enkla‑cykel‑blixtar samtidigt som strålen förblir jämn och väl fokuserbar, pekar denna studie på en kompakt väg mot ännu kraftfullare "few‑cycle" ljuskällor. Sådana pulser är särskilt värdefulla för att generera attto­sekundblixtar i gaser och för att driva effektiva plasma‑baserade partikelacceleratorer, där prestandan förbättras kraftigt när pulslängden minskar. Eftersom uppställningen naturligt kan skalas till högre energier och kan modelleras med enkla verktyg, erbjuder den en praktisk ritning för laboratorier som vill bygga nästa generations ultrakorta, högeffektiva lasersystem.

Citering: 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

Nyckelord: ultrakorta laserpulser, spektral utbredning, efterkomprimering i tunn platta, attosekundforskning, laser‑plasma‑acceleration