Se lansează noul amplificator laser: depășește limita de putere de 10 batați!

Laserele ultra-intense ultrascurte au o gamă largă de aplicații, inclusiv fizica de bază, securitate națională, servicii industriale și asistență medicală. În fizica fundamentală, astfel de lasere au devenit un instrument puternic pentru studierea fizicii laserului cu câmp puternic, în special în sursele de radiație conduse de laser, accelerația particulelor laser și electrodinamica cuantică în vid.
De la 1-beat-watt „Nova” în 1996 la 10-beat-watt Shanghai Experimental Ultra-intense Ultrashort Laser Facility (SULF) în 2017 și la 10-beat-watt European „ Extreme Light Infrastructure-Nuclear Physics” (ELI-NP) în 2019, vârf Creșterea dramatică a puterii laserului se datorează unei schimbări în mediul de câștig al laserelor cu deschidere mare (de la sticlă dopată cu neodim la cristale de titan:safir). Această schimbare a redus durata pulsului laserelor de înaltă energie de la aproximativ 500 femtosecunde (fs) la aproximativ 25 fs.
Cu toate acestea, laserele ultrascurte ultraintense din titan-safir par să se ridice la o limită superioară de 10 batați. În prezent, pentru planul de dezvoltare de la 10 pat-watt până la 100 pat-watt, cercetătorii sunt, în general, mai puțin încrezători în tehnologia de amplificare a pulsului cu ciripit din safir de titan și, în schimb, vizează tehnologia de amplificare a pulsului cu parametru optic bazată pe potasiu deuterat. fosfat dihidrogen cristal neliniar.
Cu toate acestea, deși acesta din urmă are perspective bune de aplicare, eficiența sa scăzută de conversie a semnalului pompei și deficiențele de stabilitate a energiei spectrale temporale aduc provocări mari pentru realizarea și aplicarea viitoarelor lasere cu 10-100 bătăi-watt.
Pe de altă parte, amplificarea pulsului ciripit din safir de titan, o tehnologie matură care a construit deja un laser de 10 gigawați în China și, respectiv, în Europa, are încă un potențial mare în următoarea etapă de dezvoltare a laserelor ultrascurte ultraintense.
Titan: Cristalele de safir sunt un mediu de câștig laser de bandă largă la nivel de energie. În timpul procesului de câștig, pulsul pompei este absorbit, iar inversarea nivelului de energie este stabilită între nivelurile de energie superior și inferior pentru a realiza stocarea energiei. Pe măsură ce pulsul semnalului trece de mai multe ori prin cristalul de safir de titan, energia stocată este extrasă pentru amplificarea semnalului laser. Cu toate acestea, în laserele parazite transversale, zgomotul de emisie spontană este amplificat de-a lungul diametrului cristalului, consumând energia stocată și reducând amplificarea semnalului laser.
Parazitic Lasing este un tip de operație nedorită cu laser care are loc într-un dispozitiv laser sau amplificator. Acest fenomen este de obicei cauzat de formarea neintenționată a unei cavități laser într-o anumită parte a interiorului dispozitivului, determinând laserul să oscileze la o frecvență sau un mod nedorit. Prezența laserelor parazite tinde să inhibe funcționarea laser dorită în dispozitiv, degradând performanța dispozitivului și, posibil, chiar provocând deteriorarea dispozitivului.
În prezent, deschiderea maximă a cristalelor de safir de titan poate suporta doar lasere de 10 wați bătăi. Chiar și cu cristale de safir de titan mai mari, amplificarea cu laser nu este încă posibilă, deoarece parazitul puternic transversal crește exponențial odată cu creșterea dimensiunii cristalului de safir de titan.
Care este cheia descoperirii?
Pentru a face față acestei provocări, cercetătorii au adoptat o abordare inovatoare prin așezarea coerent a mai multor cristale de safir de titan.
Conform Advanced Photonics Nexus, metoda depășește limita de 10-tap-watt a laserelor ultra-intense ultrascurte actuale cu safir de titan prin creșterea efectivă a diametrului deschiderii întregului cristal de titan din safir și trunchierea parazitului transversal în fiecare dintre acestea. cristal de faianta.
Yuxin Leng, autor corespondent al lucrării și cercetător la Institutul de Optică și Mașini de Precizie din Shanghai, a remarcat: „Am demonstrat cu succes amplificarea laserului titan:safir din gresie la 100 terawatt (adică, 0,1). sistem laser beat-watt). Am folosit această tehnică pentru a obține o amplificare laser aproape ideală, inclusiv eficiență ridicată de conversie, energie stabilă, spectre de bandă largă, impulsuri scurte și puncte focale mici."
Echipa sa raportează că amplificarea laser coerentă din titan:safir oferă o metodă relativ simplă și ieftină de a depăși limita actuală de 10 kWh. Metoda este de așteptat să îmbunătățească capacitățile experimentale ale laserelor ultra-intense ultrascurte în fizica laserului cu câmp puternic.
„Prin adăugarea unui amplificator laser de înaltă energie din titan:safir cu plăci coerente 2×2 la Facilitatea de laser ultrascurtă ultraintensă de la Shanghai (SULF) sau la instalația de fizică nucleară (ELI-NP) a Uniunii Europene Extreme Light Infrastructure-Nuclear Physics, puterea laserului poate fi crescută și mai mult de la 10 wați actuali la 40 de wați, iar intensitatea de vârf focalizată ar putea fi mărită cu un factor de aproape 10 sau mai mult.”