Verwacht wordt dat saffierlaserversterkingstechnologie de experimentele mogelijkheden van ultrakrachtige en ultrakorte lasers in de sterkveldlaserfysica zal verbeteren. Ultra-intensieve en ultrakorte lasers hebben een breed scala aan toepassingen, waaronder fundamentele natuurkunde, nationale veiligheid, industriële dienstverlening en gezondheidszorg. Op het gebied van de basisfysica is dit type laser een krachtig hulpmiddel geworden voor het bestuderen van laserfysica met een sterk veld, vooral in aspecten als door laser aangedreven stralingsbronnen, versnelling van laserdeeltjes en vacuümkwantumelektrodynamica.
Laserkracht en technologische ontwikkeling
Van 1 Petawatt "Nova" in 1996 tot 10 Petawatt "Shanghai Ultrafast Laser Facility" (SULF) in 2017 en 10 Petawatt "Aurora Infrastructure-Nuclear Physics" (ELI-NP) in 2019, is de scherpe toename van het laserpiekvermogen te wijten aan de transformatie van het versterkingsmedium van lasers met grote opening (van "Neodymium-gedoteerd glas" naar "Titanium: saffier kristal"). Deze verschuiving verkort de pulsduur van hoogenergetische lasers van ongeveer 500 femtoseconden (fs) tot ongeveer 25 fs.
De bovengrens van de ultrakrachtige en ultrakorte laser van titanium: saffier lijkt echter 10 Petawatt te zijn. Momenteel verlaten onderzoekers in het ontwikkelingsplan van 10 tot 100 Petawatt over het algemeen titanium: saffier getjilp-pulsversterkingstechnologie en adopteren ze in plaats daarvan optische parametrische chirped-pulsversterkingstechnologie gebaseerd op niet-lineair gedeutereerd kaliumdiwaterstoffosfaat-kristal.
Deze technologie zal in de toekomst een enorme uitdaging vormen voor de implementatie en toepassing van 10-100 Petawatt-lasers vanwege de lage pomp-naar-signaal-conversie-efficiëntie en de slechte spatiotemporele en spectrale energiestabiliteit. Aan de andere kant is titanium: saffier getjilpte pulsversterkingstechnologie een volwassen technologie, vooral twee 10Petawatt-lasers zijn met succes geïmplementeerd in China en Europa, en het heeft nog steeds een groot potentieel in de volgende fase van de ontwikkeling van ultrakrachtige en ultrakorte lasers.
Titanium: uitdagingen voor saffierkristallen
Titanium: saffierkristal is een breedbandlaserversterkingsmedium op energieniveau. Nadat de pomppuls is geabsorbeerd, wordt een populatie-inversie gevormd tussen het bovenste energieniveau en het lagere energieniveau, waardoor de energieopslag wordt voltooid. Wanneer de signaalpuls meerdere keren door het titanium:saffierkristal gaat, wordt de opgeslagen energie geëxtraheerd en gebruikt voor lasersignaalversterking. Bij transversale parasitaire lasers wordt de spontane emissieruis in de richting van de kristaldiameter echter versterkt, waardoor de opgeslagen energie wordt verbruikt en de versterkingssnelheid van het lasersignaal wordt verminderd.
Momenteel kan de maximale opening van titanium:saffierkristallen slechts 10Petawatt-lasers ondersteunen. Laserversterking is nog steeds niet mogelijk, zelfs niet met grotere titanium:saffierkristallen, omdat de intense laterale parasitaire laserwerking exponentieel toeneemt naarmate de grootte van het titanium:saffierkristal toeneemt.
Innovatieve oplossingen en toekomstpotentieel
Om deze uitdaging aan te gaan, kozen de onderzoekers voor een innovatieve aanpak door meerdere titanium-saffierkristallen op coherente wijze samen te voegen. Volgens een rapport in het tijdschrift "Advanced Photonics Nexus" van 23 december 2023 doorbreekt deze methode de huidige limiet van 10 Petawatt titanium: ultrasterke en ultrakorte saffierlasers, vergroot effectief de opening van het gehele betegelde titanium: saffierkristal, en snijdt ook het laterale parasitaire laserlicht binnen elk betegeld kristal af.
Corresponderende auteur Leng Yuxin van het Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics merkte op: "In ons lasersysteem van 100 terawatt (dat wil zeggen 0,1 petawatt) hebben we met succes betegeld titanium gedemonstreerd: saffierlaserversterking. We hebben deze technologie gebruikt om vrijwel ideale laserversterkingseffecten te bereiken, waaronder hoge conversie-efficiëntie, stabiele energie, breedbandspectrum, korte pulsen en kleine brandpunten."
Het team meldt dat de coherente titanium:saffier-laserversterkingstechnologie een relatief eenvoudige en goedkope manier biedt om de huidige limiet van 10 petawatt te overschrijden. "Door een 2x2 coherent betegelde titanium: saffier hoogenergetische laserversterker toe te voegen aan China's SULF of EU's ELI-NP, kan de huidige 10 petawatt verder worden verhoogd tot 40 petawatt, en kan de focuspiekintensiteit bijna tien keer of zelfs meer worden verhoogd." zei hij.
Verwacht wordt dat deze methode de experimentele mogelijkheden van ultra-intensieve en ultrakorte lasers in de sterkveldlaserfysica zal verbeteren.
Samengestelde bron: ScitechDaily