Ожидается, что технология усиления сапфирового лазера улучшит экспериментальные возможности сверхмощных и сверхкоротких лазеров в лазерной физике сильного поля. Ультраинтенсивные и ультракороткие лазеры имеют широкий спектр применения, включая фундаментальную физику, национальную безопасность, промышленные услуги и здравоохранение. В области фундаментальной физики этот тип лазера стал мощным инструментом для изучения лазерной физики сильного поля, особенно в таких аспектах, как лазерные источники излучения, лазерное ускорение частиц и вакуумная квантовая электродинамика.
Лазерная энергия и развитие технологий
От 1 петаватт «Нова» в 1996 году до 10 петаватт «Шанхайской сверхбыстрой лазерной установки» (SULF) в 2017 году и 10 петаватт «Инфраструктура-ядерная физика Авроры» (ELI-NP) в 2019 году, резкий рост пиковой мощности лазера обусловлен трансформацией активной среды лазеров с большой апертурой (от «неодимового стекла» до «Титан: сапфировое стекло»). Этот сдвиг сокращает длительность импульса высокоэнергетических лазеров примерно с 500 фемтосекунд (фс) до примерно 25 фс.
Однако верхний предел сверхмощного и сверхкороткого лазера на титан-сапфире составляет 10 Петаватт. В настоящее время, в плане разработки от 10 до 100 Петаватт, исследователи обычно отказываются от технологии усиления чирпированных импульсов титан: сапфир и вместо этого принимают технологию оптического параметрического усиления чирпированных импульсов, основанную на нелинейном кристалле дейтерированного дигидрофосфата калия.
Эта технология создаст огромную проблему для внедрения и применения лазеров мощностью 10-100 Петаватт в будущем из-за ее низкой эффективности преобразования накачки в сигнал и плохой пространственно-временной и спектральной стабильности энергии. С другой стороны, технология усиления чирпированных импульсов титан: сапфир является зрелой технологией, особенно два лазера мощностью 10 Пватт были успешно внедрены в Китае и Европе, и она по-прежнему имеет большой потенциал на следующем этапе разработки сверхмощных и ультракоротких лазеров.
Титан: проблемы с сапфировыми кристаллами
Титан: сапфировый кристалл представляет собой широкополосную усиливающую среду для лазерного излучения. После поглощения импульса накачки между верхним и нижним энергетическими уровнями образуется инверсная населенность, тем самым завершая накопление энергии. Когда импульс сигнала проходит через кристалл титан-сапфир несколько раз, накопленная энергия извлекается и используется для усиления лазерного сигнала. Однако в поперечных паразитных лазерах шум спонтанного излучения вдоль направления диаметра кристалла усиливается, потребляя запасенную энергию и снижая скорость усиления лазерного сигнала.
В настоящее время максимальная апертура титан-сапфировых кристаллов может поддерживать только лазеры мощностью 10 петаватт. Лазерное усиление по-прежнему невозможно даже с более крупными кристаллами титан: сапфир, поскольку интенсивная латеральная паразитная генерация увеличивается экспоненциально с увеличением размера кристалла титан: сапфир.
Инновационные решения и будущий потенциал
Чтобы решить эту проблему, исследователи применили инновационный подход, соединив вместе несколько кристаллов титана и сапфира. Согласно отчету журнала «Advanced Photonics Nexus» от 23 декабря 2023 года, этот метод преодолевает текущий предел в 10 петаватт сверхсильных и ультракоротких лазеров титан: сапфир, эффективно увеличивает апертуру всей черепичной структуры титан: сапфировый кристалл, а также отсекает боковое паразитное лазерное излучение внутри каждого черепичного кристалла.
Собеседник Ленг Юйсинь из Шанхайского института оптики и точной механики отметил: «В нашей лазерной системе мощностью 100 Тераватт (т.е. 0,1 петаватт) мы успешно продемонстрировали тайловое усиление лазера титан-сапфир. Мы использовали эту технологию для достижения почти идеальных эффектов лазерного усиления, включая высокую эффективность преобразования, стабильную энергию, широкополосный спектр, короткие импульсы и малые фокальные пятна».
Команда сообщает, что технология когерентного тайлового титан-сапфирового лазерного усиления обеспечивает относительно простой и недорогой способ превзойти текущий предел в 10 петаватт. «Добавив когерентный плиточный титан-сапфировый лазерный усилитель 2×2 к китайскому SULF или европейскому ELI-NP, нынешние 10 петаватт можно увеличить до 40 петаватт, а пиковую интенсивность фокуса можно увеличить почти в 10 раз или даже больше». - сказал он.
Ожидается, что этот метод улучшит экспериментальные возможности сверхинтенсивных и сверхкоротких лазеров в лазерной физике сильного поля.
Источник составления: ScitechDaily.