Sinds de vroegste demonstratie van chirped-pulse amplification (CPA) en optische parametrische chirped-pulse amplification (OPCPA), zijn femtoseconde lasers in staat geweest om ultrahoge piekvermogens tot tien petawatt (PW) te leveren, waardoor de weg werd vrijgemaakt voor compacte deeltjesversnellers en röntgenbronnen.

Om de piekvermogens verder te vergroten, zijn laserversterkingsschema's met zowel een hoge conversie-efficiëntie als een grote bandbreedte nodig. CPA-laserversterkers hebben echter te lijden van een relatief smalle versterkingsbandbreedte, terwijl OPCPA's last hebben van een relatief lage signaalefficiëntie of uitputting van de pomp als gevolg van terugconversie.

In een nieuw artikel gepubliceerd in Light:Science &Applications , heeft een team van wetenschappers, onder leiding van professor Liejia Qian van Key Laboratory for Laser Plasmas (MOE), School of Physics and Astronomy, Shanghai Jiao Tong University, China, en collega's een ultrahoog rendement en geluidsarm schema van quasi-parametrische chirped-pulse amplification (QPCPA), een variatie op OPCPA door de leegloper te dissiperen met sterke kristalabsorptie.

De dissipatie van de leegloop belemmert het terug-conversie-effect en maakt de QPCPA-prestaties van hoge efficiëntie, grote bandbreedte en robuustheid tegen fasemismatch mogelijk. Ze toonden experimenteel 56% energie-efficiëntie aan voor een 810 nm-signaal dat werd omgezet van een 532 nm-pomp, of equivalent 85% pompuitputting. Een dergelijke recordhoge uitputting onderdrukte de parametrische superfluorescentie (PSF)-ruis in QPCPA sterk tot slechts ~10 ^-6 ten opzichte van de versterkte signaalenergie.

In hun experiment werd een 8-cm Sm:YCOB-kristal gebruikt met de oriëntatie voor gemaximaliseerde niet-lineaire coëfficiënt, die transparant was voor zowel de pomp als het signaal, maar ondoorzichtig voor de idler. Onder een pompintensiteit van 3 GW cm ⁻² , werd de hoogste signaalefficiëntie van 56% bereikt met een zaadintensiteit van ~7 MW cm ⁻² , wat overeenkomt met een pompuitputting van 85%.

De aangetoonde uitputting van de QPCPA-pomp was ongeveer 2,5 keer die van OPCPA. De sterke pompuitputting door efficiënte signaalversterking onderdrukte het genereren van PSF-ruis aanzienlijk. Binnen de grootste signaaloutput van ~65 mJ was de gemeten PSF-ruisenergie zo laag als ~10 μJ. Het pulscontrast na compressie moet zo hoog zijn als ~10 ⁹ .

Prof. Ma, de eerste auteur, legde uit waarom ze zo'n proces "quasi-parametrische" amplificatie noemden:"Het QPCPA-proces is erg interessant. In het verzadigde amplificatieregime blijft de efficiëntie ervan toenemen met de zaadintensiteit zonder enige terugconversie, behoorlijk vergelijkbaar met 'niet-parametrische' laserversterking. In het amplificatieregime met klein signaal erft het echter alle parametrische gedragingen van OPCPA. De QPCPA combineert de voordelen van parametrische en niet-parametrische processen."

"Omdat het terugconversie-effect volledig wordt belemmerd, is de QPCPA ook robuust tegen fasemismatch. Dit betekent dat QPCPA ongevoelig is voor de variatie van de pompstraalrichting en de omgevingstemperatuur. Dit komt de hoge herhalingssnelheid van QPCPA ten goede." voegde hij eraan toe.

"Met zijn zeer grote product van efficiëntie en bandbreedte kan het QPCPA-schema op basis van een groot Sm:YCOB-kristal een piekvermogen van wel 50 PW ondersteunen door dezelfde pompenergie te gebruiken als de huidige laserfaciliteiten van tien petawatt, dus QPCPA kan een gekwalificeerde kandidaat zijn om ultraintense lasers voorbij de huidige limiet van tien petawatt te duwen, "zei prof. Ma. + Verder verkennen

De hoogste versterking in kleine apparaten op nanoschaal