Ultraintensiva ultrakorta lasrar har ett brett spektrum av applikationer, som omfattar grundläggande fysik, nationell säkerhet, industriell service och hälsovård. Inom grundläggande fysik har sådana lasrar blivit ett kraftfullt verktyg för att forska i starkfältslaserfysik, särskilt för laserdrivna strålningskällor, laserpartikelacceleration, vakuumkvantelektrodynamik och mer.
En dramatisk ökning av maximal lasereffekt, från 1996 1-petawatt "Nova" till 2017 10-petawatt "Shanghai Super-intense Ultrafast Laser Facility" (SULF) och 2019 10-petawatt "Extreme Light Infrastructure—Nuclear Physics" ( ELI-NP), beror på en förskjutning i förstärkningsmedium för lasrar med stor bländare (från neodymdopat glas till titan:safirkristall). Det skiftet minskade pulslängden för högenergilasrar från cirka 500 femtosekunder (fs) till cirka 25 fs.
Den övre gränsen för ultraintensiva ultrakorta lasrar av titan:safir verkar dock vara 10 petawatt. För närvarande, för 10-petawatt till 100-petawatt utvecklingsplanering, överger forskare generellt titan:safir chirped puls amplifieringsteknologi och vänder sig till optisk parametrisk chirped puls amplifieringsteknologi, baserad på deutererade kaliumdivätefosfat olinjära kristaller. Denna teknik, på grund av dess låga pump-till-signal-konverteringseffektivitet och dåliga spatiotemporal-spektral-energistabilitet, kommer att utgöra en stor utmaning för realiseringen och tillämpningen av framtida 10–100 petawatts lasrar.
Å andra sidan har titan:sapphire chirped pulse amplification-teknologin, som en mogen teknologi som framgångsrikt har realiserat två 10-petawatts lasrar i Kina och Europa, fortfarande stor potential för nästa utvecklingssteg av ultraintensiva ultrakorta lasrar.
Titan:safirglas är ett bredbandslaserförstärkningsmedium av energinivåtyp. Pumppulsen absorberas för att bygga upp en populationsinversion mellan de övre och undre energinivåerna, vilket fullbordar energilagringen. När signalpulsen passerar genom titan:safirkristallen flera gånger, extraheras den lagrade energin för lasersignalförstärkning. Vid transversell parasitisk lasring förbrukar emellertid ett förstärkt spontant emissionsbrus längs kristalldiametern den lagrade energin och minskar signallaserförstärkningen.
För närvarande kan den maximala bländaren för titan:safirkristaller endast stödja 10-petawatts lasrar. Även med större titan:safirkristaller är laserförstärkning fortfarande inte möjlig eftersom stark tvärgående parasitisk lasring ökar exponentiellt när storleken på titan:safirkristallerna ökar.
Som svar på denna utmaning har forskare tagit ett innovativt tillvägagångssätt som innebär att flera titan:safirkristaller sammanhängande kaklas ihop. Som rapporterats i Advanced Photonics Nexus , bryter den här metoden igenom den nuvarande gränsen på 10 petawatt på titan:safir ultraintensiva ultrakorta lasrar, vilket effektivt ökar öppningsdiametern för hela den kaklade titan:safirkristallen och även trunkerar den tvärgående parasitiska lasringen inom varje kakelkristall.
Motsvarande författare Yuxin Leng från Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics noterar, "Den kaklade titan:safir-laserförstärkningen demonstrerades framgångsrikt i vårt 100-terawatt (dvs. 0,1-petawatt) lasersystem. Vi uppnådde nästan idealisk laserförstärkning med denna teknologi, inklusive hög konverteringseffektivitet, stabila energier, bredbandsspektra, korta pulser och små brännpunkter."
Lengs team rapporterar att koherent belagd titan:safir laserförstärkning ger ett relativt enkelt och billigt sätt att överträffa den nuvarande gränsen på 10 petawatt.
"Genom att lägga till en 2×2 koherent kaklad titan:safir högenergilaserförstärkare i Kinas SULF eller EU:s ELI-NP, kan nuvarande 10-petawatt ökas ytterligare till 40-petawatt och den fokuserade toppintensiteten kan ökas med nästan 10 gånger eller mer", säger Leng.
Metoden lovar att förbättra den experimentella förmågan hos ultraintensiva ultrakorta lasrar för laserfysik med starkt fält.
Mer information: Yanqi Liu et al, Coherently belagd Ti:sapphire laser amplification:ett sätt att bryta gränsen på 10 petawatt på nuvarande ultraintensiva lasrar, Advanced Photonics Nexus (2023). DOI:10.1117/1.APN.2.6.066009
Tillhandahålls av SPIE
