Mod lasere i exawatt-klassen

Ultraintensive lasere med ultrakorte pulser og ultrahøje energier er kraftfulde værktøjer til at udforske ukendte i fysik, kosmologi, materialevidenskab, osv. Ved hjælp af chirped pulse amplification (CPA) (2018 Nobelprisen i fysik), den nuværende rekord har nået 10 petawatt (eller 10 ¹⁶ watt). I en undersøgelse for nylig offentliggjort i Videnskabelige rapporter , forskere fra Osaka University foreslog et koncept for næste generation af ultra-intense lasere med en simuleret spidseffekt op til exawatt-klassen (1 exawatt er lig med 1000 petawatt).

Laseren, som blev opfundet af Dr. T. H. Maiman i 1960, har en vigtig egenskab af høj intensitet (eller høj spidseffekt for pulslasere):Historisk set, laser peak power har oplevet to-trins udvikling. Lige efter laserens fødsel, Q-switching og mode-locking teknologier øgede laserspidseffekten til kilowatt (10 ³ Watt) og gigawatt (10 ⁹ Watt) niveauer. Efter at CPA-teknologien blev opfundet af Gérard Mourou og Donna Strickland i 1985, hvorved materielle skader og optisk ikke-linearitet blev undgået, laserspidseffekt blev dramatisk øget til terawatt (10 ¹² watt) og petawat (10 ¹⁵ watt) niveauer. I dag, to 10-petawatt CPA-lasere er blevet demonstreret i Europa (ELI-NP-laser) og Kina (SULF-laser), henholdsvis.

På nuværende tidspunkt facilitetsskalaen for petawatt-lasere rundt om i verden er meget stor, og projektinvesteringerne er også meget høje. Det næste skridt for fremtidige ultra-intense lasere er at øge spidseffekten yderligere ved at komprimere pulsvarigheden i stedet for at øge pulsenergien.

I deres tidligere undersøgelse ( OSA kontinuum , DOI:10.1364/OSAC.2.001125), denne gruppe udviklede et nyt design, vidvinkel ikke-collinear optisk parametrisk kvidret pulsforstærkning (WNOPCPA), at øge det forstærkede spektrum og følgelig reducere den komprimerede puls. Nøglemekanismen for WNOPCPA er at øge den samlede båndbredde ved at bruge en flerstrålepumpe, som svarer til forskellige amplificerede spektre. "Imidlertid, pumpeinterferensen, ud over induceret mulig skade, er et potentielt problem med at anvende WNOPCPA på et stort projekt, " forklarer den tilsvarende forfatter Zhaoyang Li.

I dette nyligt forbedrede design, ved at bruge en tostrålepumpet WNOPCPA og omhyggeligt optimeret fasetilpasning, pumpeinterferens undgås fuldstændigt, og en ultrabredbåndsbåndbredde med to brede spektre opnås, resulterende i <10 fs højenergilaserforstærkning. Når denne laser kombineres med efterkomprimeringsteknologi, den spektrale udvidelse induceret af ikke-lineære effekter er væsentligt forbedret, og simuleringen viser rekorden for den højeste spidseffekt, der kan skubbes til exawatt -klassen.

"Dette design har to fordele:Den ene er ultrabredbåndsforstærkning i WNOPCPA, og den anden er forbedring af ikke-lineær spektral udvidelse i post-komprimering. Denne forskning kan give en mulig måde at øge laserspidseffekten yderligere, selv op til exawatt-klassen, " siger Zhaoyang Li.