Neuer Laserverstärker kommt auf den Markt: Durchbricht die Leistungsgrenze von 10 Watt!

Ultraintensive Ultrakurzlaser haben ein breites Anwendungsspektrum, darunter Grundlagenphysik, nationale Sicherheit, Industriedienstleistungen und Gesundheitswesen. In der Grundlagenphysik sind solche Laser zu einem leistungsstarken Werkzeug für die Untersuchung der Laserphysik mit starken Feldern geworden, insbesondere bei laserbetriebenen Strahlungsquellen, der Laserteilchenbeschleunigung und der Vakuumquantenelektrodynamik.
Von der 1-beat-watt „Nova“ im Jahr 1996 bis zur 10-beat-watt Shanghai Experimental Ultra-intense Ultrashort Laser Facility (SULF) im Jahr 2017 und der 10-beat-watt European „ Extreme Light Infrastructure-Nuclear Physics“ (ELI-NP) im Jahr 2019, Höhepunkt Der dramatische Anstieg der Laserleistung ist auf eine Verschiebung des Verstärkungsmediums von Lasern mit großer Apertur (von Neodym-dotiertem Glas zu Titan:Saphir-Kristallen) zurückzuführen. Diese Verschiebung reduzierte die Pulsdauer von Hochenergielasern von etwa 500 Femtosekunden (fs) auf etwa 25 fs.
Ultraintensive Ultrakurzlaser aus Titan-Saphir scheinen jedoch eine Obergrenze von 10 Watt zu erreichen. Derzeit sind die Forscher hinsichtlich des Entwicklungsplans von 10 Pat-Watt bis 100 Pat-Watt im Allgemeinen weniger zuversichtlich in Bezug auf die Titan-Saphir-Chirped-Pulse-Verstärkungstechnologie und streben stattdessen die Chirped-Pulse-Verstärkungstechnologie für optische Parameter an, die auf deuteriertem Kalium basiert Nichtlinearer Dihydrogenphosphatkristall.
Obwohl letzterer gute Anwendungsaussichten hat, stellen seine geringe Pumpsignalumwandlungseffizienz und seine mangelnde zeitliche, spektrale Energiestabilität große Herausforderungen für die Realisierung und Anwendung zukünftiger 10-100-Beat-Watt-Laser dar.
Andererseits hat die Titan-Saphir-Chirped-Pulsverstärkung, eine ausgereifte Technologie, mit der in China bzw. Europa bereits ein 10-Gigawatt-Laser gebaut wurde, in der nächsten Entwicklungsstufe ultraintensiver Ultrakurzlaser noch großes Potenzial.
Titan: Saphirkristalle sind ein breitbandiges Laserverstärkungsmedium auf Energieniveau. Während des Verstärkungsprozesses wird der Pumpimpuls absorbiert und eine Energieniveauumkehr zwischen dem oberen und dem unteren Energieniveau hergestellt, um die Energiespeicherung zu erreichen. Während der Signalimpuls das Titan-Saphir-Kristall mehrmals durchläuft, wird die gespeicherte Energie zur Lasersignalverstärkung extrahiert. Bei transversal parasitären Lasern wird das spontane Emissionsrauschen jedoch entlang des Kristalldurchmessers verstärkt, wodurch die gespeicherte Energie verbraucht und die Signalverstärkung des Lasers verringert wird.
Parasitäres Lasern ist eine Art unerwünschter Laseroperation, die in einem Laser- oder Verstärkergerät auftritt. Dieses Phänomen wird normalerweise durch die unbeabsichtigte Bildung eines Laserhohlraums in einem Teil des Geräteinneren verursacht, der dazu führt, dass der Laser mit einer unerwünschten Frequenz oder einem unerwünschten Modus schwingt. Das Vorhandensein parasitärer Laser kann den gewünschten Laserbetrieb im Gerät behindern, die Leistung des Geräts beeinträchtigen und möglicherweise sogar zu Schäden am Gerät führen.
Derzeit kann die maximale Apertur von Titan-Saphir-Kristallen nur Laser mit 10 Watt unterstützen. Selbst mit größeren Titan-Saphir-Kristallen ist eine Laserverstärkung immer noch nicht möglich, da die starke transversale parasitäre Laserstrahlung mit zunehmender Titan-Saphir-Kristallgröße exponentiell zunimmt.
Was ist der Schlüssel zum Durchbruch?
Um dieser Herausforderung zu begegnen, wählten die Forscher einen innovativen Ansatz, indem sie mehrere Titan-Saphir-Kristalle kohärent zusammenlegten.
Laut Advanced Photonics Nexus durchbricht die Methode die 10-Tap-Watt-Grenze aktueller ultraintensiver Ultrakurzlaser aus Titan-Saphir, indem sie den Aperturdurchmesser des gesamten Titan-Saphir-Kachelkristalls effektiv vergrößert und die transversale parasitäre Laserstrahlung in jedem Kristall abschneidet Fliesenkristall.
Yuxin Leng, korrespondierender Autor des Papiers und Forscher am Shanghai Institute of Optics and Precision Machinery, bemerkte: „Wir haben die Verstärkung von gekacheltem Titan:Saphir-Laser in einem 100 Terawatt (d. h. 0,1) erfolgreich demonstriert Wir haben diese Technik verwendet, um eine nahezu ideale Laserverstärkung zu erreichen, einschließlich hoher Umwandlungseffizienz, stabiler Energie, Breitbandspektren, kurzen Impulsen und kleinen Brennflecken.“
Sein Team berichtet, dass die kohärente gekachelte Titan-Saphir-Laserverstärkung eine relativ einfache und kostengünstige Methode darstellt, um die aktuelle Grenze von 10 kWh zu überschreiten. Es wird erwartet, dass die Methode die experimentellen Möglichkeiten ultraintensiver Ultrakurzlaser in der Starkfeld-Laserphysik verbessert.
„Durch die Hinzufügung eines 2×2 kohärenten gekachelten Titan:Saphir-Hochenergie-Laserverstärkers zur Shanghai Experimental Ultra-Intense Ultrashort Laser Facility (SULF) oder der Extreme Light Infrastructure-Nuclear Physics (ELI-NP)-Anlage der Europäischen Union wird die Laserleistung erhöht kann von derzeit 10 Beat-Watt weiter auf 40 Beat-Watt erhöht werden, und die fokussierte Spitzenintensität könnte um einen Faktor von fast 10 oder mehr erhöht werden.“