|
Преодоление предела в 10 ПВт с помощью лазерного усиления
|
|
|
|
Сверхмощные ультракороткие лазеры имеют широкую сферу применения, включая фундаментальную физику, национальную безопасность, промышленные услуги и здравоохранение. В фундаментальной физике такие лазеры стали мощным инструментом для исследования лазерной физики сильного поля, особенно лазерных источников излучения, лазерного ускорения частиц, вакуумной квантовой электродинамики и многого другого. Резкое увеличение пиковой мощности лазера: с 1-петаваттной «Новой» 1996 года до 10-петаваттной «Шанхайской сверхинтенсивной сверхбыстрой лазерной установки» (SULF) 2017 года и 10-петаваттной «Инфраструктуры экстремального освещения — ядерная физика» 2019 года ( ELI-NP), связано со сдвигом в усиливающей среде для лазеров с большой апертурой (от стекла, легированного неодимом, к кристаллу титан:сапфир). Этот сдвиг сократил длительность импульса высокоэнергетических лазеров примерно с 500 фемтосекунд (фс) до примерно 25 фс.
|
|
|
|
Однако верхний предел для сверхинтенсивных ультракоротких лазеров на титан-сапфире составляет 10 петаватт. В настоящее время при планировании разработки от 10 до 100 петаватт исследователи обычно отказываются от технологии усиления чирпированных импульсов титан: сапфир и обращаются к технологии оптического параметрического усиления чирпированных импульсов, основанной на нелинейных кристаллах дейтерированного дигидрофосфата калия. Эта технология из-за ее низкой эффективности преобразования накачки в сигнал и плохой пространственно-временной и спектральной стабильности энергии станет серьезной проблемой для реализации и применения будущих лазеров мощностью 10–100 петаватт. С другой стороны, технология усиления чирпированных импульсов титан:сапфир, как зрелая технология, которая успешно реализовала два лазера мощностью 10 петаватт в Китае и Европе, все еще имеет большой потенциал для следующего этапа разработки сверхинтенсивных ультракоротких лазеров.
|
|
|
Титан:сапфировый кристалл представляет собой широкополосную лазерную усиливающую среду энергетического типа. Импульс накачки поглощается для создания инверсии населенностей между верхним и нижним уровнями энергии, что завершает накопление энергии. Когда импульс сигнала проходит через кристалл титан-сапфир несколько раз, накопленная энергия извлекается для усиления лазерного сигнала. Однако при поперечной паразитной генерации усиленный шум спонтанного излучения вдоль диаметра кристалла потребляет запасенную энергию и снижает усиление лазерного сигнала. В настоящее время максимальная апертура титан-сапфировых кристаллов может поддерживать только лазеры мощностью 10 петаватт. Даже при использовании более крупных кристаллов титан-сапфир лазерное усиление по-прежнему невозможно, поскольку сильная поперечная паразитная генерация увеличивается экспоненциально с увеличением размера кристаллов титан-сапфир. В ответ на эту проблему исследователи применили инновационный подход, который включает в себя объединение нескольких кристаллов титана и сапфира.
|
|
|
|
Как сообщается в Advanced Photonics Nexus, этот метод преодолевает текущий предел в 10 петаватт для сверхинтенсивных ультракоротких лазеров на титан-сапфире, эффективно увеличивая диаметр апертуры всего черепичного титан-сапфирового кристалла, а также сокращая поперечную паразитную генерацию внутри каждого облицовка хрусталем. Автор-корреспондент Юксин Ленг из Шанхайского института оптики и точной механики отмечает: «Усиление тайтатан-сапфирового лазера было успешно продемонстрировано в нашей лазерной системе мощностью 100 тераватт (т.е. 0,1 петаватт). С помощью этого метода мы достигли почти идеального усиления лазера. технологии, включая высокую эффективность преобразования, стабильную энергию, широкополосный спектр, короткие импульсы и небольшие фокусные пятна». Команда Ленга сообщает, что последовательное усиление титан-сапфирового лазера обеспечивает относительно простой и недорогой способ превзойти текущий предел в 10 петаватт. «Добавив 2*2 высокоэнергетический лазерный усилитель из титана и сапфира в китайском SULF или европейском ELI-NP, нынешнюю мощность в 10 петаватт можно дополнительно увеличить до 40 петаватт, а сфокусированную пиковую интенсивность можно увеличить почти на 10 петаватт или больше», — говорит Ленг. Этот метод обещает расширить экспериментальные возможности сверхинтенсивных ультракоротких лазеров для лазерной физики сильного поля.
|
|
|
|
Источник
|
