Ultraintensiva lasrar med ultrakorta pulser och ultrahöga energier är kraftfulla verktyg för att utforska okända fysik, kosmologi, materialvetenskap, etc. Med hjälp av chirped pulse amplification (CPA) (2018 års Nobelpris i fysik), det nuvarande rekordet har nått 10 petawatt (eller 10 ¹⁶ Watt). I en studie som nyligen publicerades i Vetenskapliga rapporter , forskare från Osaka University föreslog ett koncept för nästa generations ultraintensiva lasrar med en simulerad toppeffekt upp till exawatt-klassen (1 exawatt motsvarar 1000 petawatt).

Lasern, som uppfanns av Dr. T. H. Maiman 1960, har en viktig egenskap av hög intensitet (eller hög toppeffekt för pulslasrar):Historiskt sett, laser peak power har upplevt tvåstegsutveckling. Strax efter laserns födelse, Q-switching och lägeslåsningsteknik ökade laserns toppeffekt till kilowatt (10 ³ Watt) och gigawatt (10 ⁹ watt) nivåer. Efter att CPA-tekniken uppfanns av Gérard Mourou och Donna Strickland 1985, varigenom materiell skada och optisk olinjäritet undveks, laserns toppeffekt ökade dramatiskt till terawatt (10 ¹² watt) och petawatt (10 ¹⁵ watt) nivåer. I dag, två 10-petawatt CPA-lasrar har demonstrerats i Europa (ELI-NP-laser) och Kina (SULF-laser), respektive.

För närvarande, anläggningsskalan för petawatt-lasrar runt om i världen är mycket stor och projektinvesteringarna är också mycket höga. Nästa steg för framtida ultraintensiva lasrar är att ytterligare öka toppeffekten genom att komprimera pulslängden istället för att öka pulsenergin.

I deras tidigare studie ( OSA Continuum , DOI:10.1364/OSAC.2.001125), denna grupp utvecklade en ny design, vidvinkel icke-kolinjär optisk parametrisk chirped puls amplification (WNOPCPA), för att öka det förstärkta spektrumet och följaktligen minska den komprimerade pulsen. Nyckelmekanismen för WNOPCPA är att öka den totala bandbredden genom att använda en flerstrålepump, vilket motsvarar olika förstärkta spektra. "Dock, pumpstörningar, förutom möjlig skada, är ett potentiellt problem med att tillämpa WNOPCPA på ett stort projekt, " förklarar motsvarande författare Zhaoyang Li.

I denna nyligen förbättrade design, genom att använda en tvåstrålepumpad WNOPCPA och noggrant optimerad fasmatchning, pumpstörningar undviks helt, och en ultrabredbandsbandbredd med två breda spektrum uppnås, resulterar i <10 fs högenergilaserförstärkning. När denna laser kombineras med efterkompressionsteknik, den spektrala breddningen som induceras av icke-linjära effekter är signifikant förstärkt, och simuleringen visar att rekordet för den högsta toppeffekten kan skjutas till exawattklassen.

"Denna design har två fördelar:den ena är ultrabredbandsförstärkning i WNOPCPA och den andra är förbättring av icke-linjär spektral breddning i efterkomprimering. Denna forskning kan ge ett möjligt sätt att ytterligare öka laserns toppeffekt, även upp till exawattklassen, säger Zhaoyang Li.