Lansirano je novo lasersko pojačalo: Probijena granica snage od 10 Beat Watta!

Ultra-intenzivni ultrakratki laseri imaju širok raspon primjena, uključujući osnovnu fiziku, nacionalnu sigurnost, industrijske usluge i zdravstvenu skrb. U fundamentalnoj fizici, takvi su laseri postali moćno oruđe za proučavanje fizike lasera jakog polja, posebno u laserski pokretanim izvorima zračenja, laserskom ubrzanju čestica i kvantnoj elektrodinamici vakuuma.
Od 1-beat-watt "Nova" 1996. do 10-beat-watt Shanghai Experimental Ultra-intense Ultrashort Laser Facility (SULF) 2017. i 10-beat-watt European " Extreme Light Infrastructure-Nuclear Physics" (ELI-NP) u 2019., vrhunac. Dramatično povećanje snage lasera posljedica je pomaka u mediju pojačanja lasera s velikim otvorom blende (od stakla dopiranog neodimijem do kristala titana:safira). Ovaj pomak smanjio je trajanje pulsa visokoenergetskih lasera s oko 500 femtosekundi (fs) na oko 25 fs.
Međutim, čini se da titan-safir ultra-intenzivni ultrakratki laseri rastu do gornje granice od 10 otkucaja vata. Trenutačno, za razvojni plan od 10 pat-watt-a do 100 pat-watt-a, istraživači se općenito manje nadaju tehnologiji pojačanja chirped-pulsa od titan safira i umjesto toga ciljaju na tehnologiju pojačanja chirped-pulsa optičkih parametara koja se temelji na deuteriranom kaliju. dihidrogen fosfat nelinearni kristal.
Međutim, iako potonji ima dobre izglede za primjenu, njegova niska učinkovitost pretvorbe signala pumpe i nedostaci u vremenskoj spektralno-energetskoj stabilnosti donose velike izazove realizaciji i primjeni budućih 10-100 beat-watt lasera.
S druge strane, titan safirno pojačanje chirped pulsa, zrela tehnologija koja je već izgradila jedan laser od 10 gigavata u Kini i Europi, još uvijek ima veliki potencijal u sljedećoj fazi razvoja ultra-intenzivnih ultrakratkih lasera.
Titan: safirni kristali su medij širokopojasnog laserskog pojačanja energetske razine. Tijekom procesa pojačanja, puls pumpe se apsorbira, a inverzija razine energije uspostavlja se između gornje i donje razine energije kako bi se postigla pohrana energije. Kako impuls signala nekoliko puta prolazi kroz kristal titan safira, pohranjena energija se izdvaja za pojačanje laserskog signala. Međutim, u transverzalnim parazitnim laserima, šum spontane emisije se pojačava duž promjera kristala, trošeći pohranjenu energiju i smanjujući lasersko pojačanje signala.
Parazitski laser je vrsta neželjenog rada lasera koji se javlja u laseru ili uređaju za pojačalo. Ovaj fenomen obično je uzrokovan nenamjernim stvaranjem laserske šupljine u nekom dijelu unutrašnjosti uređaja, što uzrokuje osciliranje lasera na neželjenoj frekvenciji ili modu. Prisutnost parazitskih lasera ima tendenciju sprječavanja željenog rada lasera u uređaju, pogoršavajući performanse uređaja i moguće čak uzrokujući oštećenje uređaja.
Trenutačno maksimalni otvor blende kristala titan safira može podržati samo lasere od 10 otkucaja vata. Čak i s većim kristalima titan safira, lasersko pojačanje još uvijek nije moguće jer snažno transverzalno parazitsko zračenje eksponencijalno raste s povećanjem veličine kristala titan safira.
Što je ključ za proboj?
Kako bi odgovorili na ovaj izazov, istraživači su poduzeli inovativan pristup koherentnim polaganjem više kristala titan safira zajedno.
Prema Advanced Photonics Nexusu, metoda probija 10-tap-watt granicu trenutnih ultra-intenzivnih ultrakratkih lasera od titan-safira učinkovitim povećanjem promjera otvora cijelog kristala od titan-safira i skraćivanjem poprečnog parazitnog lasera unutar svakog kristal za popločavanje.
Yuxin Leng, dopisni autor rada i istraživač na Šangajskom institutu za optiku i precizne strojeve, primijetio je: "Uspješno smo demonstrirali pojačanje popločanog titan:safirskog lasera u 100 teravata (tj. 0,1 beat-watt) laserski sustav. Koristili smo ovu tehniku ​​za postizanje gotovo idealnog laserskog pojačanja, uključujući visoku učinkovitost pretvorbe, stabilnu energiju, širokopojasne spektre, kratke impulse i male žarišne točke."
Njegov tim izvješćuje da koherentno popločano titan:safirsko lasersko pojačanje pruža relativno jednostavnu i jeftinu metodu za prekoračenje trenutnog ograničenja od 10 kWh. Očekuje se da će metoda poboljšati eksperimentalne mogućnosti ultra-intenzivnih ultrakratkih lasera u fizici lasera jakog polja.
"Dodavanjem 2×2 koherentnog popločanog visokoenergetskog laserskog pojačala od titan:safira šangajskom eksperimentalnom ultraintenzivnom ultrakratkom laserskom postrojenju (SULF) ili objektu Europske unije za infrastrukturu ekstremne svjetlosti-nuklearnu fiziku (ELI-NP), snaga lasera može se dodatno povećati sa sadašnjih 10 otkucaja na 40 otkucaja, a fokusirani vršni intenzitet mogao bi se povećati za faktor od gotovo 10 ili više."