Bryder grænsen på 10 petawatt med en ny laserforstærkning

Ultra-intense ultrakorte lasere har en bred vifte af anvendelser, der omfatter grundlæggende fysik, national sikkerhed, industriel service og sundhedspleje. Inden for grundlæggende fysik er sådanne lasere blevet et stærkt værktøj til at forske i stærkt felt-laserfysik, især til laserdrevne strålingskilder, laserpartikelacceleration, vakuumkvanteelektrodynamik og mere.

En dramatisk stigning i maksimal lasereffekt fra 1996 1-petawatt "Nova" til 2017 10-petawatt "Shanghai Super-intense Ultrafast Laser Facility" (SULF) og 2019 10-petawatt "Extreme Light Infrastructure—Nuclear Physics" ( ELI-NP), skyldes et skift i forstærkningsmedium for lasere med stor blænde (fra neodym-doteret glas til titanium:safirkrystal). Det skift reducerede pulsvarigheden af ​​højenergilasere fra omkring 500 femtosekunder (fs) til omkring 25 fs.

Den øvre grænse for titanium:safir ultra-intense ultrakorte lasere ser dog ud til at være 10 petawatt. For øjeblikket, for 10-petawatt til 100-petawatt udviklingsplanlægning, opgiver forskere generelt titanium:safir chirped puls forstærkningsteknologi og vender sig til optisk parametrisk chirped puls amplification teknologi, baseret på deutereret kaliumdihydrogenphosphat ikke-lineære krystaller. Denne teknologi vil på grund af dens lave pumpe-til-signal konverteringseffektivitet og dårlige spatiotemporal-spektral-energi stabilitet udgøre en stor udfordring for realiseringen og anvendelsen af ​​fremtidens 10-100 petawatt lasere.

På den anden side har titanium:sapphire pulse-forstærkningsteknologien, som en moden teknologi, der med succes har realiseret to 10-petawatt-lasere i Kina og Europa, stadig et stort potentiale for næste udviklingstrin af ultra-intense ultrakorte lasere.

Titanium:safirkrystal er et energiniveau-type bredbåndslaserforstærkningsmedium. Pumpeimpulsen absorberes for at opbygge en befolkningsinversion mellem det øvre og det nedre energiniveau, hvilket fuldender energilagringen. Når signalimpulsen passerer gennem titanium:safirkrystallen flere gange, udvindes den lagrede energi til lasersignalforstærkning. Men i tværgående parasitisk lasering forbruger en forstærket spontan emissionsstøj langs krystaldiameteren den lagrede energi og reducerer signallaserforstærkningen.

I øjeblikket kan den maksimale blændeåbning af titanium:safirkrystaller kun understøtte 10-petawatt lasere. Selv med større titanium:safirkrystaller er laserforstærkning stadig ikke mulig, fordi stærk tværgående parasitisk lasering øges eksponentielt, efterhånden som størrelsen af ​​titanium:safirkrystallerne øges.

Som svar på denne udfordring har forskere taget en innovativ tilgang, der involverer sammenhængende fliselægning af flere titanium:safirkrystaller sammen. Som rapporteret i Advanced Photonics Nexus , bryder denne metode gennem den nuværende grænse på 10 petawatt på titanium:safir ultra-intense ultrakorte lasere, hvilket effektivt øger åbningsdiameteren af ​​hele den flisebelagte titanium:safirkrystal og afkorter også den tværgående parasitiske lasering inden for hver flisekrystal.

Den korresponderende forfatter Yuxin Leng fra Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics bemærker, "Den flisebelagte titanium:safir-laserforstærkning blev demonstreret med succes i vores 100-terawatt (dvs. 0,1-petawatt) lasersystem. Vi opnåede næsten ideel laserforstærkning ved hjælp af denne teknologi, herunder høj konverteringseffektivitet, stabile energier, bredbåndsspektre, korte pulser og små brændpunkter."

Lengs team rapporterer, at kohærent flisebelagt titanium:safir laserforstærkning giver en relativt nem og billig måde at overgå den nuværende 10-petawatt-grænse på.

"Ved at tilføje en 2×2 kohærent flisebelagt titanium:safir højenergi laserforstærker i Kinas SULF eller EU's ELI-NP, kan den nuværende 10-petawatt øges yderligere til 40-petawatt, og den fokuserede spidsintensitet kan øges med næsten 10 gange eller mere," siger Leng.

Metoden lover at forbedre den eksperimentelle kapacitet af ultra-intense ultrakorte lasere til stærkt felt laserfysik.

Flere oplysninger: Yanqi Liu et al., Ti:sapphire-laserforstærkning med sammenhængende fliser:en måde at bryde grænsen på 10 petawatt på nuværende ultraintense lasere, Advanced Photonics Nexus (2023). DOI:10.1117/1.APN.2.6.066009

Leveret af SPIE