Ny laserforsterker lanseres: bryter kraftgrensen på 10 beat watt!

Ultra-intense ultrakorte lasere har et bredt spekter av bruksområder, inkludert grunnleggende fysikk, nasjonal sikkerhet, industrielle tjenester og helsetjenester. I grunnleggende fysikk har slike lasere blitt et kraftig verktøy for å studere sterkfeltlaserfysikk, spesielt i laserdrevne strålingskilder, laserpartikkelakselerasjon og vakuumkvanteelektrodynamikk.
Fra 1-beat-watt "Nova" i 1996 til 10-beat-watt Shanghai Experimental Ultra-intense Ultrashort Laser Facility (SULF) i 2017 og 10-beat-watt European " Extreme Light Infrastructure-Nuclear Physics" (ELI-NP) i 2019, topp Den dramatiske økningen i laserkraft skyldes et skifte i forsterkningsmediet til lasere med stor blenderåpning (fra neodym-dopet glass til titan: safirkrystaller). Dette skiftet reduserte pulsvarigheten til høyenergilasere fra omtrent 500 femtosekunder (fs) til omtrent 25 fs.
Imidlertid ser titan-safir ultra-intense ultrakorte lasere ut til å stige til en øvre grense på 10 beat watt. Foreløpig, for utviklingsplanen på 10 pat-watt til 100 pat-watt, er forskere generelt mindre håpefulle om titan safir chirped-pulse-forsterkningsteknologien, og sikter i stedet på den optiske parameteren chirped-pulse-forsterkningsteknologi basert på deuterert kalium dihydrogenfosfat ikke-lineær krystall.
Men selv om sistnevnte har gode applikasjonsutsikter, gir dens lave pumpesignalkonverteringseffektivitet og tids-spektral-energistabilitetsmangler store utfordringer for realisering og bruk av fremtidige 10-100 beat-watt-lasere.
På den annen side har titan safir kvitret pulsforsterkning, en moden teknologi som allerede har bygget én 10 gigawatt laser i henholdsvis Kina og Europa, fortsatt et stort potensial i neste utviklingsstadium av ultra-intense ultrakorte lasere.
Titan: Safirkrystaller er et energinivå bredbåndslaserforsterkningsmedium. Under forsterkningsprosessen absorberes pumpepulsen, og energinivåinversjon etableres mellom øvre og nedre energinivåer for å oppnå energilagring. Når signalpulsen passerer gjennom titansafirkrystallen flere ganger, trekkes den lagrede energien ut for lasersignalforsterkning. I transversale parasittiske lasere forsterkes imidlertid den spontane emisjonsstøyen langs krystalldiameteren, og forbruker den lagrede energien og reduserer signallaserforsterkningen.
Parasittisk lasering er en type uønsket laseroperasjon som oppstår i en laser- eller forsterkerenhet. Dette fenomenet er vanligvis forårsaket av utilsiktet dannelse av et laserhulrom i en del av enhetens indre, noe som får laseren til å oscillere med en uønsket frekvens eller modus. Tilstedeværelsen av parasittiske lasere har en tendens til å hemme den ønskede laseroperasjonen i enheten, forringe ytelsen til enheten og muligens til og med forårsake skade på enheten.
For øyeblikket kan den maksimale blenderåpningen til titan safirkrystaller bare støtte lasere på 10 beat watt. Selv med større titansafirkrystaller er laserforsterkning fortsatt ikke mulig fordi sterk tverrgående parasittisk lasering vokser eksponentielt med økende titansafirkrystallstørrelse.
Hva er nøkkelen til gjennombruddet?
For å møte denne utfordringen tok forskerne en innovativ tilnærming ved å legge flere titan safirkrystaller sammen.
I følge Advanced Photonics Nexus bryter metoden gjennom 10-tap-watt-grensen for nåværende ultra-intense ultrakorte lasere av titan safir ved å effektivt øke blenderdiameteren til hele titan safir fliskrystallen og avkorte den tverrgående parasittiske laseren i hver flislegging krystall.
Yuxin Leng, den korresponderende forfatteren av artikkelen og en forsker ved Shanghai Institute of Optics and Precision Machinery, bemerket: "Vi har med suksess demonstrert forsterkningen av flislagt titan: safir som laser i en 100 terawatt (dvs. 0,1 beat-watt) lasersystem. Vi brukte denne teknikken for å oppnå nesten ideell laserforsterkning, inkludert høy konverteringseffektivitet, stabil energi, bredbåndsspektre, korte pulser og små brennpunkter."
Teamet hans rapporterer at koherent flislagt titan: safir laserforsterkning gir en relativt enkel og rimelig metode for å overskride gjeldende grense på 10 kWh. Metoden forventes å forbedre de eksperimentelle egenskapene til ultra-intense ultrakorte lasere i sterkt felt laserfysikk.
"Ved å legge til en 2×2 koherent flislagt titan: safir høyenergilaserforsterker til Shanghai Experimental Ultra-intense Ultrashort Laser Facility (SULF) eller EUs Extreme Light Infrastructure-Nuclear Physics (ELI-NP) anlegg, vil laserkraften kan økes ytterligere fra dagens 10 beat-watt til 40 beat-watt, og den fokuserte toppintensiteten kan økes med en faktor på nesten 10 eller mer."