Se espera que la tecnología de amplificación del láser de zafiro mejore las capacidades experimentales de los láseres ultrapotentes y ultracortos en la física de láseres de campo fuerte. Los láseres ultraintensos y ultracortos tienen una amplia gama de aplicaciones, incluida la física fundamental, la seguridad nacional, los servicios industriales y la atención sanitaria. En el campo de la física básica, este tipo de láser se ha convertido en una poderosa herramienta para estudiar la física del láser de campo fuerte, especialmente en aspectos como las fuentes de radiación impulsadas por láser, la aceleración de partículas láser y la electrodinámica cuántica del vacío.
Desarrollo de tecnología y potencia láser
De 1 petavatio "Nova" en 1996 a 10 petavatios "Shanghai Ultrafast Laser Facility" (SULF) en 2017 y 10 petavatios "Aurora Infrastructure-Nuclear Physics" (ELI-NP) en 2019, el fuerte aumento en la potencia máxima del láser se debe a la transformación del medio de ganancia de los láseres de gran apertura (de "vidrio dopado con neodimio" a "Titanio: cristal de zafiro"). Este cambio acorta la duración del pulso de los láseres de alta energía de alrededor de 500 femtosegundos (fs) a alrededor de 25 fs.
Sin embargo, el límite superior del láser ultrapotente y ultracorto de titanio:zafiro parece ser de 10 petavatios. Actualmente, en el plan de desarrollo de 10 a 100 petavatios, los investigadores generalmente abandonan la tecnología de amplificación de pulso chirriado de titanio: zafiro y en su lugar adoptan la tecnología de amplificación de pulso chirriado paramétrica óptica basada en cristal no lineal de dihidrógeno fosfato de potasio deuterado.
Esta tecnología supondrá un gran desafío para la implementación y aplicación de láseres de 10 a 100 petavatios en el futuro debido a su baja eficiencia de conversión de bomba a señal y su escasa estabilidad espaciotemporal-espectral-energética. Por otro lado, la tecnología de amplificación de pulso de titanio: zafiro es una tecnología madura, especialmente dos láseres de 10 petavatios que se han implementado con éxito en China y Europa, y todavía tiene un gran potencial en la siguiente etapa del desarrollo de láseres ultrapotentes y ultracortos.
Titanio: desafíos para los cristales de zafiro
Titanio: el cristal de zafiro es un medio de ganancia láser de banda ancha de nivel de energía. Después de que se absorbe el pulso de la bomba, se forma una inversión de población entre el nivel de energía superior y el nivel de energía inferior, completando así el almacenamiento de energía. Cuando el pulso de la señal pasa a través del cristal de titanio y zafiro varias veces, la energía almacenada se extrae y se utiliza para la amplificación de la señal láser. Sin embargo, en los láseres parásitos transversales, el ruido de emisión espontánea a lo largo de la dirección del diámetro del cristal se amplifica, consumiendo la energía almacenada y reduciendo la tasa de amplificación de la señal láser.
Actualmente, la apertura máxima de los cristales de titanio y zafiro solo admite láseres de 10 petavatios. La amplificación láser todavía no es posible incluso con cristales de titanio:zafiro más grandes porque el intenso láser parásito lateral aumenta exponencialmente a medida que aumenta el tamaño del cristal de titanio:zafiro.
Soluciones innovadoras y potencial de futuro
Para abordar este desafío, los investigadores adoptaron un enfoque innovador al unir de manera coherente múltiples cristales de titanio y zafiro. Según un informe de la revista "Advanced Photonics Nexus" del 23 de diciembre de 2023, este método supera el límite actual de 10 petavatios de titanio: láseres ultrafuertes y ultracortos de zafiro, aumenta efectivamente la apertura de todo el titanio en mosaico: cristal de zafiro y también corta la luz láser parásita lateral dentro de cada cristal en mosaico.
El autor correspondiente, Leng Yuxin, del Instituto de Óptica y Mecánica Fina de Shanghai, señaló: "En nuestro sistema láser de 100 teravatios (es decir, 0,1 petavatios), demostramos con éxito la amplificación del láser de titanio en mosaico: zafiro. Utilizamos esta tecnología para lograr efectos de amplificación láser casi ideales, incluida una alta eficiencia de conversión, energía estable, espectro de banda ancha, pulsos cortos y puntos focales pequeños".
El equipo informa que la tecnología de amplificación láser coherente de titanio y zafiro proporciona una forma relativamente sencilla y económica de superar el límite actual de 10 petavatios. "Al agregar un amplificador láser de alta energía de titanio: zafiro coherente 2×2 al SULF de China o al ELI-NP de la UE, los 10 petavatios actuales se pueden aumentar aún más a 40 petavatios, y la intensidad máxima del enfoque se puede aumentar casi 10 veces o incluso más". dijo.
Se espera que este método mejore las capacidades experimentales de los láseres ultraintensos y ultracortos en la física de láseres de campo fuerte.
Fuente compilada: ScitechDaily