Выпущен новый лазерный усилитель: преодолевает предел мощности в 10 бит-ватт!

Сверхмощные ультракороткие лазеры имеют широкий спектр применений, включая фундаментальную физику, национальную безопасность, промышленные услуги и здравоохранение. В фундаментальной физике такие лазеры стали мощным инструментом для изучения лазерной физики сильного поля, особенно лазерных источников излучения, лазерного ускорения частиц и вакуумной квантовой электродинамики.
От 1-бит-ватт "Нова" в 1996 году до 10-бит-ватт Шанхайской экспериментальной установки сверхмощного ультракороткого лазера (SULF) в 2017 году и 10-бит-ватт европейской установки "бит-ватт" Экстремальная легкая инфраструктура-ядерная физика» (ELI-NP) в 2019 году, пик Резкое увеличение мощности лазеров связано со сдвигом в усиливающей среде лазеров с большой апертурой (от стекла, легированного неодимом, к кристаллам титана: сапфира). Этот сдвиг уменьшил длительность импульса высокоэнергетических лазеров примерно с 500 фемтосекунд (фс) до примерно 25 фс.
Однако сверхмощные ультракороткие лазеры на титан-сапфире, похоже, достигают верхнего предела в 10 ударных ватт. В настоящее время, что касается плана разработки от 10 до 100 пат-ватт, исследователи, как правило, меньше надеются на технологию усиления чирпированных импульсов на титан-сапфире и вместо этого нацеливаются на технологию усиления чирпированных импульсов оптических параметров, основанную на дейтерированном калии. нелинейный кристалл дигидрофосфата.
Однако, хотя последний имеет хорошие перспективы применения, его низкая эффективность преобразования сигнала накачки и недостатки временной спектрально-энергетической стабильности создают большие проблемы для реализации и применения будущих 10-100 биваттных лазеров.
С другой стороны, усиление чирпированных импульсов с помощью титан-сапфира — зрелая технология, благодаря которой уже создан один лазер мощностью 10 гигаватт в Китае и Европе соответственно, — все еще имеет большой потенциал на следующем этапе разработки сверхинтенсивных ультракоротких лазеров.
Титан: Кристаллы сапфира представляют собой широкополосную лазерную усиливающую среду. В процессе усиления импульс накачки поглощается, и между верхним и нижним уровнями энергии устанавливается инверсия для накопления энергии. Когда импульс сигнала несколько раз проходит через кристалл сапфира титана, накопленная энергия извлекается для усиления лазерного сигнала. Однако в поперечных паразитных лазерах шум спонтанного излучения усиливается по диаметру кристалла, потребляя запасенную энергию и снижая усиление сигнала лазера.
Паразитная генерация — это тип нежелательной лазерной работы, которая возникает в лазерном или усилительном устройстве. Это явление обычно вызвано непреднамеренным образованием лазерной полости в какой-либо части внутреннего устройства устройства, что приводит к колебаниям лазера на нежелательной частоте или режиме. Присутствие паразитных лазеров имеет тенденцию препятствовать желаемой работе лазера в устройстве, ухудшая производительность устройства и, возможно, даже вызывая его повреждение.
В настоящее время максимальная апертура титаново-сапфировых кристаллов может поддерживать только лазеры мощностью 10 Вт. Даже при использовании более крупных кристаллов титан-сапфира лазерное усиление по-прежнему невозможно, поскольку сильная поперечная паразитная генерация растет экспоненциально с увеличением размера кристалла титан-сапфира.
В чем ключ к прорыву?
Чтобы решить эту проблему, исследователи применили инновационный подход, последовательно соединив вместе несколько кристаллов титанового сапфира.
По данным компании Advanced Photonics Nexus, этот метод преодолевает 10-ограничение в ваттах современных ультраинтенсивных ультракоротких лазеров на титан-сапфире за счет эффективного увеличения диаметра апертуры всего кристалла черепицы титан-сапфира и сокращения поперечной паразитной генерации внутри каждого облицовка хрусталем.
Юксин Ленг, автор статьи и исследователь Шанхайского института оптики и точного машиностроения, отметил: «Мы успешно продемонстрировали усиление тайловой генерации титан-сапфира мощностью 100 тераватт (т.е. 0,1 «бит-ватт) лазерной системы. Мы использовали этот метод для достижения почти идеального лазерного усиления, включая высокую эффективность преобразования, стабильную энергию, широкополосный спектр, короткие импульсы и небольшие фокусные пятна».
Его команда сообщает, что когерентное тайловое усиление титан-сапфирового лазера обеспечивает относительно простой и недорогой метод превышения текущего предела в 10 кВтч. Ожидается, что этот метод улучшит экспериментальные возможности сверхинтенсивных ультракоротких лазеров в лазерной физике сильного поля.
«Благодаря добавлению высокоэнергетического лазерного усилителя из титана и сапфира с когерентной плиткой 2×2 к Шанхайской экспериментальной установке сверхинтенсивного ультракороткого лазера (SULF) или к установке экстремальной легкой инфраструктуры ядерной физики Европейского Союза (ELI-NP) мощность лазера может быть дополнительно увеличена с нынешних 10 ударных ватт до 40 ударных ватт, а сфокусированная пиковая интенсивность может быть увеличена почти в 10 или более раз».