Ultra-intensieve ultrakorte lasers hebben een breed scala aan toepassingen, waaronder fundamentele natuurkunde, nationale veiligheid, industriële dienstverlening en gezondheidszorg. In de basisfysica zijn dergelijke lasers een krachtig hulpmiddel geworden voor het onderzoeken van laserfysica met een sterk veld, vooral voor laseraangedreven stralingsbronnen, laserdeeltjesversnelling, vacuümkwantumelektrodynamica en meer.

Een dramatische toename van het pieklaservermogen, van de 1-petawatt "Nova" uit 1996 tot de 10-petawatt "Shanghai Super-intense Ultrafast Laser Facility" (SULF) uit 2017 en de 10-petawatt "Extreme Light Infrastructure – Nuclear Physics" uit 2019 ( ELI-NP), is het gevolg van een verschuiving in het versterkingsmedium voor lasers met grote opening (van neodymium-gedoteerd glas naar titanium:saffierkristal). Deze verschuiving verminderde de pulsduur van hoogenergetische lasers van ongeveer 500 femtoseconden (fs) naar ongeveer 25 fs.

De bovengrens voor ultra-intensieve ultrakorte lasers van titanium:saffier lijkt echter 10 petawatt te zijn. Momenteel laten onderzoekers voor ontwikkelingsplanning van 10 petawatt tot 100 petawatt over het algemeen de titanium:saffier getjilp-pulsversterkingstechnologie achterwege en wenden ze zich tot optische parametrische chirped-pulsversterkingstechnologie, gebaseerd op niet-lineaire gedeutereerde kaliumdiwaterstoffosfaatkristallen. Deze technologie zal, vanwege de lage pomp-naar-signaal-conversie-efficiëntie en de slechte ruimte-temporele-spectrale-energiestabiliteit, een grote uitdaging vormen voor de realisatie en toepassing van de toekomstige 10-100 petawatt-lasers.

Aan de andere kant heeft de titanium:saffier chirped-pulsversterkingstechnologie, als een volwassen technologie die met succes twee lasers van 10 petawatt heeft gerealiseerd in China en Europa, nog steeds een groot potentieel voor de volgende fase van de ontwikkeling van ultra-intensieve ultrakorte lasers. /P>

Titanium:saffierkristal is een breedbandlaserversterkingsmedium van het energieniveau. De pomppuls wordt geabsorbeerd om een ​​populatie-inversie op te bouwen tussen de bovenste en onderste energieniveaus, waardoor de energieopslag wordt voltooid. Wanneer de signaalpuls meerdere keren door het titanium:saffierkristal gaat, wordt de opgeslagen energie onttrokken voor lasersignaalversterking. Bij transversale parasitaire laserwerking verbruikt een versterkte spontane emissieruis langs de kristaldiameter echter de opgeslagen energie en vermindert de signaallaserversterking.

Momenteel kan de maximale opening van titanium:saffierkristallen alleen lasers van 10 petawatt ondersteunen. Zelfs met grotere titanium:saffierkristallen is laserversterking nog steeds niet mogelijk omdat sterke transversale parasitaire laserwerking exponentieel toeneemt naarmate de grootte van de titanium:saffierkristallen toeneemt.

Als reactie op deze uitdaging hebben onderzoekers een innovatieve aanpak gekozen waarbij meerdere titanium-saffierkristallen op coherente wijze met elkaar worden verbonden. Zoals gerapporteerd in Advanced Photonics Nexus Doorbreekt deze methode de huidige limiet van 10 petawatt op de ultra-intensieve ultrakorte lasers van titanium:saffier, waardoor de openingsdiameter van het gehele betegelde titanium:saffierkristal effectief wordt vergroot en ook de transversale parasitaire lasering binnen elk tegelkristal wordt afgekapt.

Corresponderende auteur Yuxin Leng van het Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics merkt op:"De betegelde titanium:saffierlaserversterking werd met succes gedemonstreerd in ons lasersysteem van 100 terawatt (dat wil zeggen 0,1 petawatt). We bereikten een vrijwel ideale laserversterking met behulp van dit technologie, waaronder hoge conversie-efficiëntie, stabiele energieën, breedbandspectra, korte pulsen en kleine brandpunten."

Het team van Leng meldt dat coherent betegelde titanium:saffierlaserversterking een relatief gemakkelijke en goedkope manier biedt om de huidige limiet van 10 petawatt te overschrijden.

"Door een 2x2 samenhangend betegelde titanium:saffier hoogenergetische laserversterker toe te voegen aan het Chinese SULF of het ELI-NP van de EU, kan de huidige 10 petawatt verder worden verhoogd tot 40 petawatt en kan de gefocusseerde piekintensiteit met bijna 10 worden verhoogd. keer of meer", zegt Leng.

De methode belooft de experimentele mogelijkheden van ultra-intensieve ultrakorte lasers voor laserfysica met een sterk veld te vergroten.

Meer informatie: Yanqi Liu et al., Coherent betegelde Ti:saffierlaserversterking:een manier om de limiet van 10 petawatt op de huidige ultra-intensieve lasers te doorbreken, Advanced Photonics Nexus (2023). DOI:10.1117/1.APN.2.6.066009

Geleverd door SPIE