Amplifier Laser Baru Diluncurkan: Menembus Batas Daya 10 Beat Watt!

Laser ultrashort ultra-intensif memiliki beragam aplikasi, termasuk fisika dasar, keamanan nasional, layanan industri, dan perawatan kesehatan. Dalam fisika fundamental, laser semacam itu telah menjadi alat yang ampuh untuk mempelajari fisika laser medan kuat, terutama pada sumber radiasi yang digerakkan oleh laser, percepatan partikel laser, dan elektrodinamika kuantum vakum.
Dari 1-beat-watt "Nova" pada tahun 1996 hingga 10-beat-watt Shanghai Experimental Ultra-intense Ultrashort Laser Facility (SULF) pada tahun 2017 dan 10-beat-watt European " Infrastruktur Cahaya Ekstrim-Fisika Nuklir" (ELI-NP) pada tahun 2019, puncaknya Peningkatan dramatis dalam kekuatan laser disebabkan oleh pergeseran media penguatan laser aperture besar (dari kaca yang didoping neodymium ke titanium: kristal safir). Pergeseran ini mengurangi durasi pulsa laser berenergi tinggi dari sekitar 500 femtodetik (fs) menjadi sekitar 25 fs.
Namun, laser ultrashort ultra-intens titanium-safir tampaknya mencapai batas atas 10 watt watt. Saat ini, untuk rencana pengembangan 10 pat-watt hingga 100 pat-watt, para peneliti umumnya kurang berharap terhadap teknologi amplifikasi pulsa-kicau safir titanium, dan sebaliknya mengarah pada parameter optik teknologi amplifikasi pulsa-kicau berdasarkan kalium deuterasi. kristal nonlinier dihidrogen fosfat.
Namun, meskipun yang terakhir ini memiliki prospek penerapan yang baik, efisiensi konversi sinyal pompa yang rendah dan kekurangan stabilitas energi spektral temporal membawa tantangan besar terhadap realisasi dan penerapan laser watt-watt 10-100 masa depan.
Di sisi lain, amplifikasi pulsa kicau safir titanium, sebuah teknologi matang yang telah membangun satu laser 10 gigawatt masing-masing di Tiongkok dan Eropa, masih memiliki potensi besar dalam tahap pengembangan laser ultrashort ultra-intens berikutnya.
Titanium: Kristal safir adalah media penguatan laser broadband tingkat energi. Selama proses penguatan, pulsa pompa diserap, dan inversi tingkat energi terjadi antara tingkat energi atas dan bawah untuk mencapai penyimpanan energi. Saat pulsa sinyal melewati kristal safir titanium beberapa kali, energi yang tersimpan diekstraksi untuk penguatan sinyal laser. Namun, pada laser parasit transversal, kebisingan emisi spontan diperkuat sepanjang diameter kristal, menghabiskan energi yang tersimpan dan mengurangi amplifikasi sinyal laser.
Lasing Parasit adalah jenis operasi laser yang tidak diinginkan yang terjadi pada perangkat laser atau amplifier. Fenomena ini biasanya disebabkan oleh pembentukan rongga laser yang tidak disengaja di beberapa bagian interior perangkat, sehingga menyebabkan laser berosilasi pada frekuensi atau mode yang tidak diinginkan. Kehadiran laser parasit cenderung menghambat pengoperasian laser yang diinginkan pada perangkat, menurunkan kinerja perangkat, dan bahkan mungkin menyebabkan kerusakan pada perangkat.
Saat ini, aperture maksimum kristal safir titanium hanya dapat mendukung laser 10 watt watt. Bahkan dengan kristal safir titanium yang lebih besar, amplifikasi laser masih tidak dapat dilakukan karena penguat parasit transversal yang kuat tumbuh secara eksponensial seiring dengan meningkatnya ukuran kristal safir titanium.
Apa kunci terobosannya?
Untuk mengatasi tantangan ini, para peneliti mengambil pendekatan inovatif dengan menyatukan beberapa kristal safir titanium secara koheren.
Menurut Advanced Photonics Nexus, metode ini menembus batas 10-watt tap dari laser ultrashort ultra-intens titanium safir saat ini dengan secara efektif meningkatkan diameter bukaan seluruh kristal ubin safir titanium dan memotong penguat parasit melintang di dalam masing-masing laser tersebut. ubin kristal.
Yuxin Leng, penulis makalah dan peneliti di Institut Optik dan Mesin Presisi Shanghai, menyatakan, "Kami telah berhasil mendemonstrasikan amplifikasi penguat ubin titanium: safir dalam 100 terawatt (yaitu, 0,1 sistem laser beat-watt). Kami menggunakan teknik ini untuk mencapai amplifikasi laser yang mendekati ideal, termasuk efisiensi konversi tinggi, energi stabil, spektrum broadband, pulsa pendek, dan titik fokus kecil."
Timnya melaporkan bahwa amplifikasi laser ubin titanium: safir koheren memberikan metode yang relatif sederhana dan murah untuk melampaui batas saat ini sebesar 10 kWh. Metode ini diharapkan dapat meningkatkan kemampuan eksperimental laser ultrashort ultra-intens dalam fisika laser medan kuat.
"Dengan menambahkan penguat laser berenergi tinggi titanium: safir ubin koheren 2x2 ke Fasilitas Laser Ultrashort Ultra-intens Eksperimental Shanghai (SULF) atau fasilitas Fisika Infrastruktur-Nuklir Ekstrim (ELI-NP) Uni Eropa, kekuatan laser dapat ditingkatkan lebih lanjut dari 10 beat-watt saat ini menjadi 40 beat-watt, dan intensitas puncak terfokus dapat ditingkatkan hampir 10 kali lipat atau lebih."