Yeni Lazer Amplifikatör Piyasaya Sürüldü: 10 Beat Watt'lık Güç Sınırını Aştı!

Ultra yoğun ultra kısa lazerler, temel fizik, ulusal güvenlik, endüstriyel hizmetler ve sağlık hizmetleri dahil olmak üzere geniş bir uygulama alanına sahiptir. Temel fizikte bu tür lazerler, özellikle lazerle yönlendirilen radyasyon kaynakları, lazer parçacık hızlandırması ve vakum kuantum elektrodinamiği konularında güçlü alan lazer fiziğini incelemek için güçlü bir araç haline geldi.
1996'daki 1-beat-watt "Nova"dan, 2017'deki 10-beat-watt Şanghay Deneysel Ultra Yoğun Ultra Kısa Lazer Tesisi'ne (SULF) ve 10-beat-watt Avrupa'ya " Extreme Light Infrastructure-Nuclear Physics" (ELI-NP) 2019'da, zirve Lazer gücündeki çarpıcı artış, geniş diyafram açıklığına sahip lazerlerin (neodimyum katkılı camdan titanyum:safir kristallere) kazanç ortamındaki değişimden kaynaklanmaktadır. Bu değişim, yüksek enerjili lazerlerin atım süresini yaklaşık 500 femtosaniyeden (fs) yaklaşık 25 fs'ye düşürdü.
Bununla birlikte, titanyum-safir ultra-yoğun ultra-kısa lazerlerin 10 atım watt'lık bir üst sınıra yükseldiği görülmektedir. Şu anda, 10 pat-watt'tan 100 pat-watt'a kadar olan geliştirme planı için, araştırmacılar genellikle titanyum safir cıvıltılı darbe amplifikasyon teknolojisi hakkında daha az umutlular ve bunun yerine döteryumlanmış potasyum bazlı optik parametreli cıvıltılı darbe amplifikasyon teknolojisini hedefliyorlar. dihidrojen fosfat doğrusal olmayan kristal.
Bununla birlikte, ikincisinin iyi uygulama beklentileri olmasına rağmen, düşük pompa sinyali dönüştürme verimliliği ve zamansal-spektral-enerji kararlılığı eksiklikleri, gelecekteki 10-100 atım-watt lazerlerin gerçekleştirilmesi ve uygulanması konusunda büyük zorluklar getirmektedir.
Öte yandan, sırasıyla Çin ve Avrupa'da 10 gigawatt'lık bir lazer üretmiş olan olgun bir teknoloji olan titanyum safir cıvıl cıvıl darbe amplifikasyonu, ultra yoğun ultra kısa lazerlerin geliştirilmesinin bir sonraki aşamasında hala büyük bir potansiyele sahiptir.
Titanyum: Safir kristaller, enerji düzeyinde geniş bantlı bir lazer kazanç ortamıdır. Kazanç işlemi sırasında, pompa darbesi emilir ve enerji depolamayı gerçekleştirmek için üst ve alt enerji seviyeleri arasında enerji seviyesi dönüşümü oluşturulur. Sinyal darbesi titanyum safir kristalden birkaç kez geçerken, depolanan enerji lazer sinyal amplifikasyonu için çıkarılır. Bununla birlikte, enine parazitik lazerlerde, kendiliğinden emisyon gürültüsü kristal çapı boyunca yükseltilir, depolanan enerjiyi tüketir ve sinyal lazer amplifikasyonunu azaltır.
Parazitik Lazerleme, bir lazer veya amplifikatör cihazında meydana gelen bir tür istenmeyen lazer işlemidir. Bu olaya genellikle cihazın iç kısmının bir kısmında kasıtsız bir lazer boşluğunun oluşması ve lazerin istenmeyen bir frekansta veya modda salınmasına neden olması neden olur. Parazit lazerlerin varlığı, cihazda istenen lazer çalışmasını engelleme eğiliminde olup cihazın performansını düşürür ve hatta muhtemelen cihaza zarar verir.
Şu anda titanyum safir kristallerin maksimum açıklığı yalnızca 10 watt'lık lazerleri destekleyebilmektedir. Daha büyük titanyum safir kristallerle bile lazer amplifikasyonu hala mümkün değildir çünkü güçlü enine parazitik lazer, titanyum safir kristal boyutunun artmasıyla birlikte katlanarak büyür.
Bu atılımın anahtarı nedir?
Bu zorluğun üstesinden gelmek için araştırmacılar, birden fazla titanyum safir kristalini tutarlı bir şekilde bir araya getirerek yenilikçi bir yaklaşım benimsedi.
Advanced Photonics Nexus'a göre bu yöntem, tüm titanyum safir döşeme kristalinin açıklık çapını etkili bir şekilde artırarak ve her bir kristalin içindeki enine parazitik lazeri keserek, mevcut titanyum safir ultra yoğun ultra kısa lazerlerin 10-tap-watt sınırını aşar. fayans kristali.
Makalenin ilgili yazarı ve Şangay Optik ve Hassas Makine Enstitüsü'nde araştırmacı olan Yuxin Leng şunları kaydetti: "100 terawatt'ta (yani, 0,1) lazerle döşenen titanyum:safirin amplifikasyonunu başarıyla gösterdik. Beat-watt) lazer sistemi. Bu tekniği, yüksek dönüşüm verimliliği, kararlı enerji, geniş bant spektrumları, kısa darbeler ve küçük odak noktaları dahil olmak üzere ideale yakın lazer amplifikasyonu elde etmek için kullandık."
Ekibi, tutarlı kiremitli titanyum:safir lazer amplifikasyonunun, 10 kWh'lik mevcut limiti aşmak için nispeten basit ve ucuz bir yöntem sağladığını bildiriyor. Yöntemin, güçlü alan lazer fiziğinde ultra yoğun ultra kısa lazerlerin deneysel yeteneklerini geliştirmesi bekleniyor.
"Şanghay Deneysel Ultra Yoğun Ultra Kısa Lazer Tesisi'ne (SULF) veya Avrupa Birliği'nin Aşırı Hafif Altyapı-Nükleer Fizik (ELI-NP) tesisine 2x2 tutarlı kiremitli titanyum:safir yüksek enerjili lazer amplifikatörü ekleyerek, lazer gücü mevcut 10 atım watt'tan 40 atım watt'a daha da artırılabilir ve odaklanılan tepe yoğunluğu neredeyse 10 veya daha fazla kat artırılabilir."