Нов лазерен усилвател е пуснат на пазара: Премахва ограничението на мощността от 10 ударни вата!

Свръхинтензивните ултракъси лазери имат широк спектър от приложения, включително основна физика, национална сигурност, индустриални услуги и здравеопазване. Във фундаменталната физика такива лазери са се превърнали в мощен инструмент за изучаване на лазерна физика със силно поле, особено в лазерно управлявани източници на радиация, лазерно ускорение на частици и вакуумна квантова електродинамика.
От 1-beat-watt „Nova“ през 1996 г. до 10-beat-watt Shanghai Experimental Ultra-intense Ultrashort Laser Facility (SULF) през 2017 г. и 10-beat-watt European " Extreme Light Infrastructure-Nuclear Physics“ (ELI-NP) през 2019 г., пик Драматичното увеличение на мощността на лазера се дължи на промяната в средата на усилване на лазерите с голяма апертура (от легирано с неодим стъкло към кристали от титан: сапфир). Това изместване намали продължителността на импулса на високоенергийните лазери от около 500 фемтосекунди (fs) до около 25 fs.
Въпреки това ултра-интензивните ултракъси лазери от титан-сапфир изглежда се покачват до горната граница от 10 ударни вата. Понастоящем, за плана за развитие от 10 pat-watts до 100 pat-watts, изследователите обикновено са по-малко обнадеждени относно технологията за усилване на чирпирани импулси от титаниев сапфир и вместо това се насочват към технологията за усилване на чирпирани импулси с оптични параметри, базирана на деутериран калий дихидроген фосфат нелинеен кристал.
Въпреки това, въпреки че последният има добри перспективи за приложение, неговата ниска ефективност на преобразуване на сигнала на помпата и недостатъците във времевата спектрално-енергийна стабилност носят големи предизвикателства пред реализацията и прилагането на бъдещи 10-100 ударно-ватови лазери.
От друга страна, титаниево-сапфирното усилване на импулсите с чирпиране, зряла технология, която вече е изградила един 10 гигаватов лазер съответно в Китай и Европа, все още има голям потенциал в следващия етап от развитието на ултра-интензивни ултракъси лазери.
Титан: Сапфирените кристали са среда за широколентово лазерно усилване на енергийно ниво. По време на процеса на усилване импулсът на помпата се абсорбира и се установява инверсия на енергийното ниво между горните и долните енергийни нива, за да се постигне съхранение на енергия. Тъй като сигналният импулс преминава през кристала от титанов сапфир няколко пъти, съхранената енергия се извлича за усилване на лазерния сигнал. Въпреки това, в напречните паразитни лазери спонтанният емисионен шум се усилва по диаметъра на кристала, консумирайки съхранената енергия и намалявайки лазерното усилване на сигнала.
Паразитното генериране е вид нежелана лазерна операция, която възниква в лазерно или усилвателно устройство. Това явление обикновено се причинява от неволно образуване на лазерна кухина в част от вътрешността на устройството, което кара лазера да трепти с нежелана честота или режим. Наличието на паразитни лазери има тенденция да възпрепятства желаната лазерна работа в устройството, влошавайки работата на устройството и вероятно дори причинявайки повреда на устройството.
Понастоящем максималната бленда на титаниево-сапфирените кристали може да поддържа само лазери от 10 бита вата. Дори при по-големи кристали от титанов сапфир лазерното усилване все още не е възможно, тъй като силното напречно паразитно излъчване нараства експоненциално с увеличаване на размера на кристала от титанов сапфир.
Какъв е ключът към пробива?
За да се справят с това предизвикателство, изследователите предприеха иновативен подход чрез кохерентно полагане на множество кристали от титанов сапфир заедно.
Според Advanced Photonics Nexus, методът преодолява границата на 10-тап-ват на настоящите ултра-интензивни ултракъси лазери с титаниев сапфир чрез ефективно увеличаване на диаметъра на отвора на целия кристал от титаниево-сапфирови плочки и съкращаване на напречното паразитно излъчване във всеки облицовъчен кристал.
Yuxin Leng, автор-кореспондент на статията и изследовател в Шанхайския институт по оптика и прецизни машини, отбеляза: „Ние успешно демонстрирахме усилването на титанов:сапфирен лазерен лъч в 100 теравата (т.е. 0,1 beat-watt) лазерна система. Използвахме тази техника, за да постигнем почти идеално лазерно усилване, включително висока ефективност на преобразуване, стабилна енергия, широколентови спектри, къси импулси и малки фокусни петна."
Неговият екип съобщава, че кохерентното лазерно усилване на титан: сапфир осигурява сравнително прост и евтин метод за надхвърляне на текущото ограничение от 10 kWh. Очаква се методът да подобри експерименталните възможности на ултра-интензивните ултракъси лазери в лазерната физика със силно поле.
„Чрез добавяне на 2×2 кохерентен високоенергиен лазерен усилвател с плочки от титан: сапфир към Шанхайското експериментално съоръжение за ултра-интензивен ултракъс лазер (SULF) или съоръжението на Европейския съюз за инфраструктура за екстремна светлина-ядрена физика (ELI-NP), мощността на лазера може допълнително да се увеличи от сегашните 10 бита-вата до 40 бита вата, а фокусираният пиков интензитет може да се увеличи с фактор от близо 10 или повече."