Viene lanciato il nuovo amplificatore laser: supera il limite di potenza di 10 Beat Watt!

I laser ultracorti e intensi hanno un’ampia gamma di applicazioni, tra cui la fisica di base, la sicurezza nazionale, i servizi industriali e l’assistenza sanitaria. Nella fisica fondamentale, tali laser sono diventati un potente strumento per studiare la fisica dei laser a campo forte, in particolare nelle sorgenti di radiazioni guidate dal laser, nell’accelerazione delle particelle laser e nell’elettrodinamica quantistica del vuoto.
Dal 1-beat-watt "Nova" nel 1996 al 10-beat-watt Shanghai Experimental Ultra-intense Ultrashort Laser Facility (SULF) nel 2017 e al 10-beat-watt European " Extreme Light Infrastructure-Nuclear Physics" (ELI-NP) nel 2019, picco Il drammatico aumento della potenza del laser è dovuto a uno spostamento del mezzo di guadagno dei laser ad ampia apertura (dal vetro drogato al neodimio al titanio: cristalli di zaffiro). Questo spostamento ha ridotto la durata dell’impulso dei laser ad alta energia da circa 500 femtosecondi (fs) a circa 25 fs.
Tuttavia, i laser ultracorti ultra intensi in titanio e zaffiro sembrano raggiungere un limite superiore di 10 watt di battitura. Attualmente, per il piano di sviluppo da 10 pat-watt a 100 pat-watt, i ricercatori sono generalmente meno fiduciosi riguardo alla tecnologia di amplificazione a impulsi cinguettati in zaffiro e titanio, e puntano invece alla tecnologia di amplificazione a impulsi cinguettati dei parametri ottici basata sul potassio deuterato Cristallo non lineare di diidrogeno fosfato.
Tuttavia, sebbene quest'ultimo abbia buone prospettive di applicazione, la sua bassa efficienza di conversione del segnale della pompa e le carenze nella stabilità dell'energia temporale e spettrale pongono grandi sfide alla realizzazione e all'applicazione dei futuri laser a 10-100 beat-watt.
D’altra parte, l’amplificazione degli impulsi cinguettati con zaffiro e titanio, una tecnologia matura che ha già costruito un laser da 10 gigawatt rispettivamente in Cina e in Europa, ha ancora un grande potenziale nella prossima fase di sviluppo dei laser ultracorti ultraintensi.
Titanio: i cristalli di zaffiro sono un mezzo di guadagno laser a banda larga a livello energetico. Durante il processo di guadagno, l'impulso della pompa viene assorbito e viene stabilita l'inversione del livello di energia tra i livelli di energia superiore e inferiore per ottenere l'accumulo di energia. Mentre l'impulso del segnale attraversa più volte il cristallo di zaffiro al titanio, l'energia immagazzinata viene estratta per l'amplificazione del segnale laser. Tuttavia, nei laser parassiti trasversali, il rumore di emissione spontanea viene amplificato lungo il diametro del cristallo, consumando l'energia immagazzinata e riducendo l'amplificazione del segnale laser.
Il laser parassita è un tipo di funzionamento laser indesiderato che si verifica in un dispositivo laser o amplificatore. Questo fenomeno è solitamente causato dalla formazione involontaria di una cavità laser in qualche parte all'interno del dispositivo, che fa oscillare il laser a una frequenza o modalità indesiderata. La presenza di laser parassiti tende a inibire il funzionamento laser desiderato nel dispositivo, degradando le prestazioni del dispositivo e possibilmente anche causando danni al dispositivo.
Attualmente, l’apertura massima dei cristalli di zaffiro al titanio può supportare solo laser da 10 watt di battitura. Anche con cristalli di zaffiro al titanio più grandi, l'amplificazione laser non è ancora possibile perché il forte laser parassita trasversale cresce esponenzialmente con l'aumento delle dimensioni del cristallo di zaffiro al titanio.
Qual è la chiave della svolta?
Per affrontare questa sfida, i ricercatori hanno adottato un approccio innovativo mettendo insieme in modo coerente più cristalli di zaffiro di titanio.
Secondo Advanced Photonics Nexus, il metodo supera il limite di 10-watt-tap degli attuali laser ultra-intensi e ultracorti in titanio-zaffiro, aumentando efficacemente il diametro di apertura dell'intero cristallo di piastrellatura in titanio-zaffiro e troncando il laser parassita trasversale all'interno di ciascuno cristallo di piastrellatura.
Yuxin Leng, autore corrispondente dell'articolo e ricercatore presso l'Istituto di ottica e macchinari di precisione di Shanghai, ha osservato: "Abbiamo dimostrato con successo l'amplificazione del laser piastrellato titanio:zaffiro in un 100 terawatt (cioè 0,1 sistema laser beat-watt). Abbiamo utilizzato questa tecnica per ottenere un'amplificazione laser quasi ideale, inclusa un'elevata efficienza di conversione, energia stabile, spettri a banda larga, impulsi brevi e piccoli punti focali.
Il suo team riferisce che l’amplificazione laser coerente in titanio:zaffiro fornisce un metodo relativamente semplice ed economico per superare l’attuale limite di 10 kWh. Si prevede che il metodo migliorerà le capacità sperimentali dei laser ultraintensi e ultracorti nella fisica dei laser a campo forte.
"Aggiungendo un amplificatore laser ad alta energia 2×2 piastrellato in titanio:zaffiro all'impianto sperimentale ultra-intenso per laser ultracorti (SULF) di Shanghai o all'impianto di fisica nucleare e infrastrutture leggere estreme (ELI-NP) dell'Unione Europea, la potenza del laser può essere ulteriormente aumentata dagli attuali 10 watt di battuta a 40 watt di battuta, e l'intensità di picco focalizzata potrebbe essere aumentata di un fattore di quasi 10 o più."