Лансиран је нови ласерски појачавач: Пробија границу снаге од 10 вати!

Ултра-интензивни ултракратки ласери имају широк спектар примена, укључујући основну физику, националну безбедност, индустријске услуге и здравствену заштиту. У фундаменталној физици, такви ласери су постали моћно средство за проучавање ласерске физике јаког поља, посебно у ласерским изворима зрачења, убрзању ласерских честица и квантне електродинамике вакуума.
Од 1-беат-ватт "Нова" 1996. до 10-беат-ватт Схангхаи Екпериментал Ултра-интенсе Ултрасхорт Ласер Фацилити (СУЛФ) у 2017. и 10-беат-ватт Еуропеан " Екстремна светлосна инфраструктура-нуклеарна физика“ (ЕЛИ-НП) у 2019., врхунац Драматично повећање снаге ласера ​​је последица промене у медијуму појачања ласера ​​са великим отвором (са стакла допираног неодимијумом на кристале титанијум:сафир). Ова промена смањила је трајање импулса високоенергетских ласера ​​са око 500 фемтосекунди (фс) на око 25 фс.
Међутим, чини се да ултра-интензивни ултракратки ласери од титанијум-сафира расту до горње границе од 10 вати. Тренутно, за развојни план од 10 пат-вата до 100 пат-вата, истраживачи се генерално мање надају технологији појачања импулса од титанијум-сафира, и уместо тога циљају на технологију појачања импулса оптичких параметара засновану на деутерисаном калијуму дихидроген фосфат нелинеарни кристал.
Међутим, иако овај други има добре изгледе за примену, његова ниска ефикасност конверзије сигнала пумпе и недостаци стабилности временске спектралне енергије доносе велике изазове реализацији и примени будућих 10-100 беат-ватт ласера.
С друге стране, појачање импулса са титанијум сафиром, зрела технологија која је већ изградила један ласер од 10 гигавата у Кини и Европи, и даље има велики потенцијал у следећој фази развоја ултра-интензивних ултракратких ласера.
Титанијум: Сафирни кристали су широкопојасни ласерски медиј за појачање на енергетском нивоу. Током процеса појачања, импулс пумпе се апсорбује, а инверзија нивоа енергије се успоставља између горњег и доњег нивоа енергије да би се постигло складиштење енергије. Како сигнални импулс неколико пута пролази кроз кристал титанијум сафира, ускладиштена енергија се издваја за појачање ласерског сигнала. Међутим, у трансверзалним паразитским ласерима, шум спонтане емисије се појачава дуж пречника кристала, трошећи ускладиштену енергију и смањујући појачање ласерског сигнала.
Паразитско ласерско зрачење је врста нежељене ласерске операције која се јавља у ласерском уређају или уређају за појачавање. Овај феномен је обично узрокован ненамерним формирањем ласерске шупљине у неком делу унутрашњости уређаја, што узрокује осциловање ласера ​​на нежељеној фреквенцији или режиму. Присуство паразитских ласера ​​има тенденцију да инхибира жељени рад ласера ​​у уређају, смањујући перформансе уређаја и могуће чак и узрокујући оштећење уређаја.
Тренутно, максимални отвор кристала титанијум сафира може да подржи само ласере од 10 вати. Чак и са већим кристалима титанијум сафира, ласерско појачање још увек није могуће јер снажно попречно паразитско ласерство расте експоненцијално са повећањем величине кристала титанијум сафира.
Шта је кључ пробоја?
Да би одговорили на овај изазов, истраживачи су применили иновативни приступ кохерентним полагањем више кристала титанијум сафира заједно.
Према Адванцед Пхотоницс Некус-у, метода пробија ограничење 10-тап-ватт-а тренутних ултра-интензивних ултра-кратких ласера ​​од титанијум-сафира ефективним повећањем пречника отвора целог кристала од титанијум-сафира и скраћивањем попречног паразитног ласерског ласера ​​унутар сваког поплочавање кристала.
Иукин Ленг, дописни аутор рада и истраживач на Шангајском институту за оптику и прецизне машине, приметио је: „Успешно смо демонстрирали појачање поплочаног титан:сафирног ласера ​​у 100 теравата (тј. 0,1 беат-ватт) ласерски систем. Користили смо ову технику да постигнемо скоро идеално ласерско појачање, укључујући високу ефикасност конверзије, стабилну енергију, широкопојасне спектре, кратке импулсе и мале жаришне тачке."
Његов тим извештава да кохерентно поплочано ласерско појачање титанијум:сафир пружа релативно једноставан и јефтин метод да се премаши тренутна граница од 10 кВх. Очекује се да ће метода побољшати експерименталне могућности ултра-интензивних ултракратких ласера ​​у ласерској физици јаког поља.
„Додавањем 2×2 кохерентног поплочаног титанијум:сафирног ласерског појачивача високе енергије у шангајско експериментално ултра-интензивно ултракратко ласерско постројење (СУЛФ) или објекту Европске уније за екстремну светлосну инфраструктуру-нуклеарну физику (ЕЛИ-НП), ласерска снага може се даље повећати са тренутних 10 откуцаја на 40 вати, а фокусирани вршни интензитет би се могао повећати за фактор од скоро 10 или више."