Ultraintensive Ultrakurzlaser haben ein breites Anwendungsspektrum, das die Grundlagenphysik, die nationale Sicherheit, den Industriedienst und das Gesundheitswesen umfasst. In der Grundlagenphysik sind solche Laser zu einem leistungsstarken Werkzeug für die Erforschung der Starkfeld-Laserphysik geworden, insbesondere für laserbetriebene Strahlungsquellen, Laserteilchenbeschleunigung, Vakuumquantenelektrodynamik und mehr.
Ein dramatischer Anstieg der Spitzenlaserleistung, von der 1-Petawatt-Laseranlage „Nova“ von 1996 über die 10-Petawatt-Laseranlage „Shanghai Super-intense Ultrafast Laser Facility“ (SULF) von 2017 bis zur 10-Petawatt-Laseranlage „Extreme Light Infrastructure – Nuclear Physics“ von 2019 ( ELI-NP) ist auf eine Verschiebung des Verstärkungsmediums für Laser mit großer Apertur zurückzuführen (von Neodym-dotiertem Glas zu Titan:Saphir-Kristall). Diese Verschiebung reduzierte die Pulsdauer von Hochenergielasern von etwa 500 Femtosekunden (fs) auf etwa 25 fs.
Die Obergrenze für ultraintensive Ultrakurzlaser aus Titan:Saphir scheint jedoch bei 10 Petawatt zu liegen. Derzeit geben Forscher für die Entwicklungsplanung von 10 bis 100 Petawatt im Allgemeinen die Chirped-Pulsverstärkungstechnologie aus Titan:Saphir auf und wenden sich der optisch-parametrischen Chirped-Pulsverstärkungstechnologie zu, die auf nichtlinearen deuterierten Kaliumdihydrogenphosphatkristallen basiert. Diese Technologie wird aufgrund ihrer geringen Pump-zu-Signal-Umwandlungseffizienz und der geringen räumlich-zeitlichen spektralen Energiestabilität eine große Herausforderung für die Realisierung und Anwendung der zukünftigen 10–100-Petawatt-Laser darstellen.
Andererseits hat die Titan-Saphir-Chirped-Pulsverstärkungstechnologie als ausgereifte Technologie, mit der zwei 10-Petawatt-Laser in China und Europa erfolgreich realisiert wurden, immer noch großes Potenzial für die nächste Entwicklungsstufe ultraintensiver Ultrakurzlaser.
Titan:Saphirkristall ist ein breitbandiges Laserverstärkungsmedium vom Energieniveautyp. Der Pumpimpuls wird absorbiert, um eine Besetzungsumkehr zwischen dem oberen und dem unteren Energieniveau aufzubauen, wodurch die Energiespeicherung abgeschlossen wird. Wenn der Signalimpuls das Titan-Saphir-Kristall mehrmals durchläuft, wird die gespeicherte Energie zur Lasersignalverstärkung extrahiert. Beim transversalen parasitären Lasern verbraucht jedoch ein verstärktes spontanes Emissionsrauschen entlang des Kristalldurchmessers die gespeicherte Energie und verringert die Signalverstärkung des Lasers.
Derzeit kann die maximale Apertur von Titan-Saphir-Kristallen nur 10-Petawatt-Laser unterstützen. Selbst bei größeren Titan-Saphir-Kristallen ist eine Laserverstärkung immer noch nicht möglich, da die starke transversale parasitäre Laserstrahlung mit zunehmender Größe der Titan-Saphir-Kristalle exponentiell zunimmt.
Als Reaktion auf diese Herausforderung haben Forscher einen innovativen Ansatz gewählt, bei dem mehrere Titan-Saphir-Kristalle kohärent miteinander verbunden werden. Wie berichtet in Fortschrittlicher Photonik-NexusDiese Methode durchbricht die derzeitige 10-Petawatt-Grenze der ultraintensiven Ultrakurzlaser aus Titan:Saphir, indem sie effektiv den Aperturdurchmesser des gesamten gekachelten Titan:Saphir-Kristalls vergrößert und auch die transversale parasitäre Laserstrahlung innerhalb jedes Kachelkristalls abschneidet.
Der korrespondierende Autor Yuxin Leng vom Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics bemerkt: „Die gekachelte Titan-Saphir-Laserverstärkung wurde erfolgreich in unserem 100-Terawatt-Lasersystem (d. h. 0,1 Petawatt) demonstriert. Damit haben wir eine nahezu ideale Laserverstärkung erreicht.“ Technologie, einschließlich hoher Umwandlungseffizienz, stabiler Energien, breitbandiger Spektren, kurzer Pulse und kleiner Brennflecke.“
Lengs Team berichtet, dass die kohärent gekachelte Titan-Saphir-Laserverstärkung eine relativ einfache und kostengünstige Möglichkeit bietet, die aktuelle 10-Petawatt-Grenze zu überschreiten.
„Durch das Hinzufügen eines 2×2 kohärent gekachelten Titan:Saphir-Hochenergie-Laserverstärkers in Chinas SULF oder EUs ELI-NP kann die derzeitige Leistung von 10 Petawatt weiter auf 40 Petawatt erhöht und die fokussierte Spitzenintensität um fast 10 erhöht werden.“ Mal oder öfter“, sagt Leng.
Die Methode verspricht, die experimentelle Leistungsfähigkeit ultraintensiver Ultrakurzlaser für die Starkfeld-Laserphysik zu verbessern.
Mehr Informationen:
Yanqi Liu et al., Kohärent gekachelte Ti:Saphir-Laserverstärkung: eine Möglichkeit, die 10-Petawatt-Grenze aktueller ultraintensiver Laser zu durchbrechen, Fortschrittlicher Photonik-Nexus (2023). DOI: 10.1117/1.APN.2.6.066009