Wprowadzenie na rynek nowego wzmacniacza laserowego: przekracza limit mocy wynoszący 10 watów uderzeniowych!

Ultraintensywne lasery ultrakrótkie mają szeroki zakres zastosowań, w tym fizykę podstawową, bezpieczeństwo narodowe, usługi przemysłowe i opiekę zdrowotną. W fizyce podstawowej takie lasery stały się potężnym narzędziem do badania fizyki laserów silnego pola, zwłaszcza źródeł promieniowania napędzanych laserem, przyspieszania cząstek laserowych i próżniowej elektrodynamiki kwantowej.
Od 1-beat-wata „Nova” w 1996 r. do 10-beat-wata w Szanghaju Eksperymentalnego Ultraintensywnego Ultrashort Laser Facility (SULF) w 2017 r. i 10-beat-wata w Europie „ Extreme Light Infrastructure-Nuclear Physics (ELI-NP) w 2019 r., szczyt Dramatyczny wzrost mocy lasera wynika ze zmiany ośrodka wzmocnienia laserów o dużej aperturze (ze szkła domieszkowanego neodymem na kryształy tytanu i szafiru). To przesunięcie skróciło czas trwania impulsu laserów wysokoenergetycznych z około 500 femtosekund (fs) do około 25 fs.
Jednak ultraintensywne, ultrakrótkie lasery tytanowo-szafirowe wydają się osiągać górną granicę 10 watów uderzeniowych. Obecnie, w przypadku planu rozwoju od 10 pat-watów do 100 pat-watów, badacze generalnie pokładają mniejsze nadzieje w technologii wzmacniania ćwierkanymi impulsami tytanowo-szafirowymi, a zamiast tego skupiają się na technologii wzmacniania parametrów optycznych opartej na deuterowanym potasie nieliniowy kryształ diwodorofosforanu.
Jednakże, chociaż ten ostatni ma dobre perspektywy zastosowania, jego niska wydajność konwersji sygnału pompy i braki w stabilności czasowo-spektralnej energii stwarzają ogromne wyzwania w realizacji i zastosowaniu przyszłych laserów o mocy 10-100 uderzeń-watów.
Z drugiej strony, tytanowo-szafirowe wzmocnienie impulsowe – dojrzała technologia, w ramach której zbudowano już jeden 10-gigawatowy laser odpowiednio w Chinach i Europie – wciąż ma ogromny potencjał na kolejnym etapie rozwoju ultraintensywnych laserów ultrakrótkich.
Tytan: Kryształy szafiru to szerokopasmowy nośnik wzmocnienia lasera o poziomie energetycznym. Podczas procesu wzmacniania impuls pompy jest pochłaniany i następuje inwersja poziomu energii pomiędzy górnym i dolnym poziomem energii, aby osiągnąć magazynowanie energii. Gdy impuls sygnału przechodzi kilka razy przez tytanowo-szafirowy kryształ, zmagazynowana energia jest wydobywana w celu wzmocnienia sygnału laserowego. Jednakże w poprzecznych laserach pasożytniczych szum emisji spontanicznej jest wzmacniany wzdłuż średnicy kryształu, zużywając zmagazynowaną energię i zmniejszając wzmocnienie sygnału lasera.
Laser pasożytniczy to rodzaj niepożądanego działania lasera występującego w urządzeniu laserowym lub wzmacniaczu. Zjawisko to jest zwykle spowodowane niezamierzonym utworzeniem wnęki lasera w jakiejś części wnętrza urządzenia, powodując oscylację lasera z niepożądaną częstotliwością lub trybem. Obecność laserów pasożytniczych zwykle hamuje pożądaną pracę lasera w urządzeniu, pogarszając jego działanie, a nawet powodując uszkodzenie urządzenia.
Obecnie maksymalna apertura tytanowych kryształów szafiru może obsługiwać jedynie lasery o mocy 10 watów uderzeniowych. Nawet w przypadku większych kryształów szafiru tytanu wzmocnienie laserowe nadal nie jest możliwe, ponieważ silne poprzeczne laserowanie pasożytnicze rośnie wykładniczo wraz ze wzrostem rozmiaru kryształu szafiru tytanu.
Jaki jest klucz do przełomu?
Aby stawić czoła temu wyzwaniu, badacze przyjęli innowacyjne podejście, łącząc spójnie ze sobą wiele kryształów szafiru tytanu.
Według Advanced Photonics Nexus metoda ta przekracza ograniczenie 10-poboru mocy kranowej obecnych ultraintensywnych ultrakrótkich laserów tytanowo-szafirowych, skutecznie zwiększając średnicę apertury całego kryształu tytanowo-szafirowego i obcinając poprzeczne pasożytnicze lasery w każdym kryształ płytek.
Yuxin Leng, autor-korespondent artykułu i badacz w Szanghajskim Instytucie Optyki i Maszyn Precyzyjnych, zauważył: „Udało nam się zademonstrować wzmocnienie lasera tytanowo-szafirowego w płytkach o mocy 100 terawatów (tj. 0,1 beat-wat). Zastosowaliśmy tę technikę, aby osiągnąć niemal idealne wzmocnienie lasera, w tym wysoką wydajność konwersji, stabilną energię, widma szerokopasmowe, krótkie impulsy i małe ogniska.
Jego zespół donosi, że wzmocnienie laserem tytanowo-szafirowym w spójnych kafelkach stanowi stosunkowo prostą i niedrogą metodę przekroczenia obecnego limitu 10 kWh. Oczekuje się, że metoda ta poprawi możliwości eksperymentalne ultraintensywnych ultrakrótkich laserów w fizyce laserów silnego pola.
„Dzięki dodaniu spójnego, wysokoenergetycznego wzmacniacza laserowego tytanowo-szafirowego o wymiarach 2×2 do eksperymentalnego ultraintensywnego ultrakrótkiego lasera w Szanghaju (SULF) lub unijnego obiektu Extreme Light Infrastructure-Nuclear Physics (ELI-NP), moc lasera można dodatkowo zwiększyć z obecnych 10 watów uderzeń do 40 watów uderzeń, a skupioną intensywność szczytową można zwiększyć prawie 10-krotnie lub więcej.