شکستن حد 10 پتاوات با تقویت لیزری جدید

4 ژانویه 2024 – توسط SPIE-تقویت لیزری تیتانیوم: یاقوت کبود با کاشی منسجم. اعتبار: یوکسین لنگ

لیزرهای فوق‌کوتاه بسیار شدید دارای دامنه وسیعی از کاربردها هستند که شامل فیزیک پایه، امنیت ملی، خدمات صنعتی و مراقبت‌های بهداشتی می‌شود. در فیزیک پایه، چنین لیزرهایی به ابزاری قدرتمند برای تحقیق در مورد فیزیک لیزر میدان قوی، به ویژه برای منابع تابشی لیزر محور، شتاب ذرات لیزر، الکترودینامیک کوانتومی خلاء و غیره تبدیل شده اند.افزایش چشمگیر در اوج قدرت لیزر، از 1996 “Nova” 1 پتاواتی تا 2017 میزان 10 پتاوات “تاسیسات لیزر فوق سریع شانگهای” (SULF) و 2019   میزان 10پتاوات “Extreme Light Infrastructure-Nuclear” ELI-NP، به دلیل تغییر در محیط بهره برای لیزرهای با دیافراگم بزرگ (از شیشه دوپ شده با نئودیمیم به کریستال تیتانیوم: یاقوت کبود) است. این تغییر، مدت زمان پالس لیزرهای پرانرژی را از حدود 500 فمتوثانیه (fs) به حدود 25 fs کاهش داد.

با این حال، حد بالایی برای لیزرهای فوق‌کوتاه بسیار شدید تیتانیوم: یاقوت کبود به نظر می‌رسد 10 پتاوات باشد. در حال حاضر، برای برنامه ریزی توسعه 10 پتاوات تا 100 پتاوات، محققان به طور کلی فناوری تقویت پالس چیپ تیتانیوم: یاقوت کبود را کنار می گذارند و به فناوری تقویت پالس چیرپ پارامتریک نوری، مبتنی بر پتاسیم دی هیدروژن فسفات دوتره شده c غیرخطی روی می آورند. این فناوری به دلیل راندمان پایین تبدیل پمپ به سیگنال و پایداری انرژی فضایی-زمانی-طیفی ضعیف، چالش بزرگی برای تحقق و کاربرد لیزرهای 10-100 پتاوات آینده خواهد بود.

از سوی دیگر، فناوری تقویت پالس چیرپ چیپ تیتانیوم: یاقوت کبود، به عنوان یک فناوری بالغ که با موفقیت دو لیزر 10 پتاواتی را در چین و اروپا اجرا کرده است، هنوز هم پتانسیل زیادی برای توسعه مرحله بعدی لیزرهای فوق‌کوتاه بسیار شدید دارد.

تیتانیوم: کریستال یاقوت کبود یک رسانه افزایش لیزر پهن باند سطح انرژی است. پالس پمپ جذب می شود تا یک وارونگی جمعیت بین سطوح انرژی بالا و پایین ایجاد شود که ذخیره انرژی را کامل می کند. هنگامی که پالس سیگنال چندین بار از کریستال تیتانیوم: یاقوت کبود عبور می کند، انرژی ذخیره شده برای تقویت سیگنال لیزری استخراج می شود. با این حال، در لیزر وابسته عرضی، یک نویز انتشار خودبه‌خودی تقویت‌شده در امتداد قطر کریستال، انرژی ذخیره‌شده را مصرف می‌کند و تقویت لیزر سیگنال را کاهش می‌دهد.

در حال حاضر، حداکثر دیافراگم کریستال های تیتانیوم: یاقوت کبود فقط می تواند لیزرهای 10 پتاواتی را پشتیبانی کند. حتی با کریستال‌های بزرگ‌تر تیتانیوم: یاقوت کبود، تقویت لیزر هنوز امکان‌پذیر نیست، زیرا لیزر وابسته عرضی قوی به طور تصاعدی با افزایش اندازه کریستال‌های تیتانیوم: یاقوت کبود افزایش می‌یابد.

در پاسخ به این چالش، محققان رویکردی نوآورانه اتخاذ کرده‌اند که شامل کاشی نمودن  منسجم چند کریستال تیتانیوم: یاقوت کبود با هم است. همانطور که در Advanced Photonics Nexus گزارش شده است، این روش از حد 10 پتاوات فعلی لیزرهای فوق‌کوتاه تیتانیوم: یاقوت کبود می‌گذرد و به طور موثر قطر دهانه کل کریستال تیتانیوم: یاقوت کبود را افزایش می‌دهد و همچنین لیزر وابسته عرضی را در هر کدام کریستال کاشی کاری کوتاه می‌کند.

نویسنده مسئول، یوکسین لنگ از مؤسسه اپتیک و مکانیک  شانگهای، خاطرنشان می کند: “تقویت لیزر کاشی کاری شده تیتانیوم: یاقوت کبود در سیستم لیزری 100 تراواتی (یعنی 0.1 پتاوات) ما با موفقیت نشان داده شد. ما با استفاده از این به تقویت لیزر تقریبا ایده آل دست یافتیم. فن آوری، از جمله بازده تبدیل بالا، انرژی های پایدار، طیف پهنای باند، پالس های کوتاه، و نقاط کانونی کوچک.”

تیم Leng گزارش می دهد که تقویت لیزری تیتانیوم: یاقوت کبود با کاشی منسجم یک راه نسبتا آسان و ارزان را برای فراتر رفتن از حد فعلی 10 پتاوات فراهم می کند.

با افزودن تقویت‌کننده لیزر پرانرژی تیتانیوم: یاقوت کبود 2×2 در SULF چین یا ELI-NP اتحادیه اروپا، 10 پتاوات کنونی را می‌توان به 40 پتاوات افزایش داد و شدت پیک متمرکز را می‌توان نزدیک به 10 افزایش داد. لنگ می گوید: بارها یا بیشتر.

این روش نوید افزایش قابلیت آزمایشی لیزرهای فوق کوتاه فوق العاده شدید را برای فیزیک لیزر میدان قوی می دهد.

https://phys.org