Se lanza un nuevo amplificador láser: ¡supera el límite de potencia de 10 vatios!

Los láseres ultracortos ultraintensos tienen una amplia gama de aplicaciones, que incluyen física básica, seguridad nacional, servicios industriales y atención médica. En física fundamental, estos láseres se han convertido en una poderosa herramienta para estudiar la física de los láseres de campo fuerte, especialmente en fuentes de radiación impulsadas por láser, la aceleración de partículas láser y la electrodinámica cuántica del vacío.
Desde el 1-beat-watt "Nova" en 1996 hasta la 10-beat-watt Shanghai Experimental Ultra-intense Ultrashort Laser Facility (SULF) en 2017 y el 10-beat-watt europeo " Extreme Light Infrastructure-Nuclear Physics" (ELI-NP) en 2019, pico El dramático aumento en la potencia del láser se debe a un cambio en el medio de ganancia de los láseres de gran apertura (de vidrio dopado con neodimio a cristales de titanio:zafiro). Este cambio redujo la duración del pulso de los láseres de alta energía de aproximadamente 500 femtosegundos (fs) a aproximadamente 25 fs.
Sin embargo, los láseres ultracortos ultraintensos de titanio y zafiro parecen alcanzar un límite superior de 10 vatios. En la actualidad, para el plan de desarrollo de 10 pat-vatios a 100 pat-vatios, los investigadores generalmente tienen menos esperanzas sobre la tecnología de amplificación de pulso chirrido de zafiro de titanio y, en cambio, apuntan a la tecnología de amplificación de pulso chirrido de parámetros ópticos basada en el potasio deuterado. Cristal no lineal de fosfato de dihidrógeno.
Sin embargo, aunque este último tiene buenas perspectivas de aplicación, su baja eficiencia de conversión de señal de bombeo y sus deficiencias en la estabilidad de la energía temporal-espectral plantean grandes desafíos para la realización y aplicación de futuros láseres de 10-100 beat-watts.
Por otro lado, la amplificación del pulso chirriado de zafiro de titanio, una tecnología madura que ya ha construido un láser de 10 gigavatios en China y Europa respectivamente, todavía tiene un gran potencial en la siguiente etapa de desarrollo de láseres ultracortos ultraintensos.
Titanio: los cristales de zafiro son un medio de ganancia de láser de banda ancha de nivel de energía. Durante el proceso de ganancia, el pulso de la bomba se absorbe y se establece una inversión del nivel de energía entre los niveles de energía superior e inferior para lograr el almacenamiento de energía. A medida que el pulso de la señal pasa varias veces a través del cristal de zafiro de titanio, la energía almacenada se extrae para la amplificación de la señal láser. Sin embargo, en los láseres parásitos transversales, el ruido de emisión espontánea se amplifica a lo largo del diámetro del cristal, consumiendo la energía almacenada y reduciendo la amplificación de la señal del láser.
El láser parásito es un tipo de operación láser no deseada que se produce en un dispositivo láser o amplificador. Este fenómeno suele ser causado por la formación involuntaria de una cavidad láser en alguna parte del interior del dispositivo, lo que hace que el láser oscile en una frecuencia o modo no deseado. La presencia de láseres parásitos tiende a inhibir el funcionamiento deseado del láser en el dispositivo, degradando el rendimiento del dispositivo y posiblemente incluso causando daños al dispositivo.
Actualmente, la apertura máxima de los cristales de zafiro de titanio sólo puede admitir láseres de 10 vatios. Incluso con cristales de zafiro de titanio más grandes, la amplificación láser todavía no es posible porque el fuerte láser parásito transversal crece exponencialmente al aumentar el tamaño del cristal de zafiro de titanio.
¿Cuál es la clave del avance?
Para abordar este desafío, los investigadores adoptaron un enfoque innovador al unir de manera coherente múltiples cristales de zafiro de titanio.
Según Advanced Photonics Nexus, el método supera el límite de 10-vatios de los láseres ultracortos ultraintensos de zafiro de titanio actuales al aumentar de manera efectiva el diámetro de apertura de todo el cristal de mosaico de zafiro de titanio y truncar el láser parásito transversal dentro de cada mosaico de cristal.
Yuxin Leng, autor correspondiente del artículo e investigador del Instituto de Óptica y Maquinaria de Precisión de Shanghai, señaló: "Hemos demostrado con éxito la amplificación del láser de titanio y zafiro en mosaico en 100 teravatios (es decir, 0,1 beat-watt) sistema láser. Utilizamos esta técnica para lograr una amplificación láser casi ideal, incluida una alta eficiencia de conversión, energía estable, espectros de banda ancha, pulsos cortos y puntos focales pequeños".
Su equipo informa que la amplificación láser coherente de titanio y zafiro en mosaico proporciona un método relativamente simple y económico para superar el límite actual de 10 kWh. Se espera que el método mejore las capacidades experimentales de los láseres ultracortos ultraintensos en la física de láseres de campo fuerte.
"Al agregar un amplificador láser de alta energía de titanio:zafiro coherente de 2 × 2 a la Instalación Experimental de Láser Ultracorto Ultraintenso Experimental de Shanghai (SULF) o a la instalación de Infraestructura de Luz Extrema-Física Nuclear (ELI-NP) de la Unión Europea, la potencia del láser se puede aumentar aún más desde los actuales 10 beat-watts a 40 beat watts, y la intensidad máxima enfocada podría incrementarse en un factor de casi 10 o más".