Ny laserförstärkare lanseras: bryter effektgränsen på 10 beat watt!

Ultraintensiva ultrakorta lasrar har ett brett utbud av applikationer, inklusive grundläggande fysik, nationell säkerhet, industritjänster och hälsovård. Inom fundamental fysik har sådana lasrar blivit ett kraftfullt verktyg för att studera starkfältslaserfysik, särskilt i laserdrivna strålningskällor, laserpartikelacceleration och vakuumkvantelektrodynamik.
Från 1-beat-watt "Nova" 1996 till 10-beat-watt Shanghai Experimental Ultra-intense Ultrashort Laser Facility (SULF) 2017 och 10-beat-watt European " Extreme Light Infrastructure-Nuclear Physics" (ELI-NP) 2019, topp Den dramatiska ökningen av laserkraft beror på en förändring i förstärkningsmediet för lasrar med stor bländare (från neodymdopat glas till titan:safirkristaller). Denna förskjutning minskade pulslängden för högenergilasrar från cirka 500 femtosekunder (fs) till cirka 25 fs.
Emellertid verkar ultraintensiva ultrakorta lasrar av titan-safir stiga till en övre gräns på 10 beat watt. För närvarande, för utvecklingsplanen på 10 pat-watt till 100 pat-watt, är forskare generellt sett mindre hoppfulla om titan safir chirped-pulse-förstärkningstekniken och siktar istället på den optiska parametern chirped-pulse-förstärkningsteknik baserad på deuterat kalium divätefosfat icke-linjär kristall.
Men även om den senare har goda tillämpningsmöjligheter, medför dess låga pumpsignalkonverteringseffektivitet och brister i stabiliteten i tidsspektral energi stora utmaningar för realiseringen och tillämpningen av framtida 10-100 beat-watt-lasrar.
Å andra sidan har titan safir chirped puls amplification, en mogen teknologi som redan har byggt en 10 gigawatt laser i Kina respektive Europa, fortfarande stor potential i nästa steg av utvecklingen av ultraintensiva ultrakorta lasrar.
Titan: Safirkristaller är ett energinivå bredbandslaserförstärkningsmedium. Under förstärkningsprocessen absorberas pumppulsen och energinivåinversion etableras mellan de övre och undre energinivåerna för att åstadkomma energilagring. När signalpulsen passerar genom titan safirkristallen flera gånger, extraheras den lagrade energin för lasersignalförstärkning. I transversella parasitlasrar förstärks emellertid det spontana emissionsbruset längs kristalldiametern, vilket förbrukar den lagrade energin och minskar signallaserförstärkningen.
Parasitisk laserning är en typ av oönskad laseroperation som inträffar i en laser- eller förstärkaranordning. Detta fenomen orsakas vanligtvis av oavsiktlig bildning av en laserkavitet i någon del av enhetens inre, vilket får lasern att oscillera med en oönskad frekvens eller läge. Närvaron av parasitlasrar tenderar att hämma den önskade laseroperationen i anordningen, vilket försämrar anordningens prestanda och eventuellt till och med orsaka skada på anordningen.
För närvarande kan den maximala bländaren för titan safirkristaller endast stödja lasrar på 10 beat watt. Även med större titansafirkristaller är laserförstärkning fortfarande inte möjlig eftersom stark tvärgående parasitisk lasring växer exponentiellt med ökande titansafirkristallstorlek.
Vad är nyckeln till genombrottet?
För att möta denna utmaning tog forskarna ett innovativt tillvägagångssätt genom att konsekvent lägga flera titan safirkristaller tillsammans.
Enligt Advanced Photonics Nexus bryter metoden igenom 10-tap-watt-gränsen för nuvarande ultraintensiva ultraintensiva ultrakorta lasrar av titan safir genom att effektivt öka bländardiametern för hela titan safir kakelkristallen och trunkera den tvärgående parasitiska lasringen inom varje kakel kristall.
Yuxin Leng, motsvarande författare till artikeln och en forskare vid Shanghai Institute of Optics and Precision Machinery, noterade: "Vi har framgångsrikt demonstrerat förstärkningen av kakelbelagd titan:safir-laser i en 100 terawatt (dvs. 0,1 beat-watt) lasersystem. Vi använde denna teknik för att uppnå nästan idealisk laserförstärkning, inklusive hög konverteringseffektivitet, stabil energi, bredbandsspektra, korta pulser och små brännpunkter."
Hans team rapporterar att koherent kakelbelagd titan:safir laserförstärkning ger en relativt enkel och billig metod för att överskrida den nuvarande gränsen på 10 kWh. Metoden förväntas förbättra den experimentella förmågan hos ultraintensiva ultrakorta lasrar inom starkfältslaserfysik.
"Genom att lägga till en 2×2 koherent kaklad titan:safir högenergilaserförstärkare till Shanghai Experimental Ultra-intense Ultrashort Laser Facility (SULF) eller Europeiska unionens anläggning för extrema ljusinfrastruktur-kärnfysik (ELI-NP), laserkraften kan ökas ytterligare från nuvarande 10 beat-watt till 40 beat-watt, och den fokuserade toppintensiteten kan ökas med en faktor på nästan 10 eller mer."