Bộ khuếch đại Laser mới được ra mắt: Phá vỡ giới hạn công suất 10 nhịp Watts!

Laser siêu ngắn cường độ cao có nhiều ứng dụng, bao gồm vật lý cơ bản, an ninh quốc gia, dịch vụ công nghiệp và chăm sóc sức khỏe. Trong vật lý cơ bản, những laser như vậy đã trở thành một công cụ mạnh mẽ để nghiên cứu vật lý laser trường mạnh, đặc biệt là trong các nguồn bức xạ điều khiển bằng laser, gia tốc hạt laser và điện động lực học lượng tử chân không.
Từ 1-beat-watt "Nova" năm 1996 đến 10-beat-watt Cơ sở Laser siêu ngắn thử nghiệm cực mạnh Thượng Hải (SULF) năm 2017 và 10-beat-watt Châu Âu " Cơ sở hạ tầng ánh sáng cực cao-Vật lý hạt nhân" (ELI-NP) vào năm 2019, đỉnh điểm. Sự gia tăng đáng kể công suất laser là do sự thay đổi trong môi trường khuếch đại của laser khẩu độ lớn (từ thủy tinh pha tạp neodymium sang tinh thể titan:sapphire). Sự dịch chuyển này làm giảm thời lượng phát xung của laser năng lượng cao từ khoảng 500 femto giây (fs) xuống còn khoảng 25 fs.
Tuy nhiên, tia laser siêu ngắn cường độ cực cao bằng titan-sapphire dường như tăng lên giới hạn trên là 10 nhịp watt. Hiện tại, đối với kế hoạch phát triển từ 10 pat-watt đến 100 pat-watt, các nhà nghiên cứu nhìn chung ít hy vọng hơn vào công nghệ khuếch đại xung chirped bằng sapphire titan mà thay vào đó nhắm đến công nghệ khuếch đại xung chirped tham số quang học dựa trên kali khử màu. tinh thể phi tuyến dihydrogen phosphate.
Tuy nhiên, mặc dù loại thứ hai có triển vọng ứng dụng tốt, nhưng hiệu suất chuyển đổi tín hiệu bơm thấp và sự thiếu ổn định năng lượng quang phổ thời gian mang lại những thách thức lớn cho việc hiện thực hóa và ứng dụng các laser nhịp 10-100 trong tương lai.
Mặt khác, khuếch đại xung chirped bằng sapphire titan, một công nghệ trưởng thành đã chế tạo được một tia laser 10 gigawatt lần lượt ở Trung Quốc và Châu Âu, vẫn có tiềm năng lớn trong giai đoạn phát triển tiếp theo của laser siêu ngắn cường độ cao.
Titanium: Tinh thể sapphire là phương tiện khuếch đại laser băng thông rộng mức năng lượng. Trong quá trình khuếch đại, xung bơm được hấp thụ và sự đảo ngược mức năng lượng được thiết lập giữa mức năng lượng trên và mức năng lượng dưới để thực hiện việc lưu trữ năng lượng. Khi xung tín hiệu đi qua tinh thể sapphire titan nhiều lần, năng lượng lưu trữ sẽ được trích ra để khuếch đại tín hiệu laser. Tuy nhiên, trong laser ký sinh ngang, nhiễu phát xạ tự phát được khuếch đại dọc theo đường kính tinh thể, tiêu thụ năng lượng dự trữ và làm giảm khuếch đại tín hiệu laser.
Parasitic Lasing là một loại hoạt động laser không mong muốn xảy ra trong thiết bị laser hoặc bộ khuếch đại. Hiện tượng này thường xảy ra do sự hình thành không chủ ý của khoang laser ở một phần bên trong thiết bị, khiến tia laser dao động ở tần số hoặc chế độ không mong muốn. Sự hiện diện của các tia laser ký sinh có xu hướng ức chế hoạt động của tia laser mong muốn trong thiết bị, làm giảm hiệu suất của thiết bị và thậm chí có thể gây hư hỏng cho thiết bị.
Hiện tại, khẩu độ tối đa của tinh thể sapphire titan chỉ có thể hỗ trợ tia laser có công suất 10 nhịp. Ngay cả với các tinh thể sapphire titan lớn hơn, việc khuếch đại laser vẫn không thể thực hiện được vì hiện tượng phát laser ký sinh ngang mạnh phát triển theo cấp số nhân khi kích thước tinh thể sapphire titan ngày càng tăng.
Chìa khóa của sự đột phá là gì?
Để giải quyết thách thức này, các nhà nghiên cứu đã áp dụng một cách tiếp cận sáng tạo bằng cách đặt nhiều tinh thể sapphire titan lại với nhau một cách mạch lạc.
Theo Advanced Photonics Nexus, phương pháp này vượt qua 10-giới hạn tap-watt của các tia laser siêu ngắn siêu cường độ cực mạnh bằng sapphire titan hiện tại bằng cách tăng hiệu quả đường kính khẩu độ của toàn bộ tinh thể ốp sapphire titan và cắt bớt tia laser ký sinh ngang bên trong mỗi tia laser ốp lát pha lê.
Yuxin Leng, tác giả tương ứng của bài báo và là nhà nghiên cứu tại Viện Quang học và Máy móc Chính xác Thượng Hải, lưu ý: "Chúng tôi đã chứng minh thành công khả năng khuếch đại của titan lát gạch: sapphire phát laser ở mức 100 terawatt (tức là 0,1) hệ thống laser beat-watt). Chúng tôi đã sử dụng kỹ thuật này để đạt được khả năng khuếch đại laser gần như lý tưởng, bao gồm hiệu suất chuyển đổi cao, năng lượng ổn định, quang phổ băng thông rộng, xung ngắn và tiêu điểm nhỏ."
Nhóm của ông báo cáo rằng việc khuếch đại laser titan:sapphire lát gạch kết hợp cung cấp một phương pháp tương đối đơn giản và rẻ tiền để vượt quá giới hạn hiện tại là 10 kWh. Phương pháp này được kỳ vọng sẽ cải thiện khả năng thử nghiệm của các tia laser siêu ngắn cường độ cao trong vật lý laser trường mạnh.
"Bằng cách bổ sung bộ khuếch đại laser năng lượng cao titan:sapphire lát gạch kết hợp 2 × 2 vào Cơ sở Laser siêu ngắn cường độ cao thử nghiệm Thượng Hải (SULF) hoặc cơ sở Vật lý hạt nhân-cơ sở hạ tầng ánh sáng cực cao (ELI-NP) của Liên minh Châu Âu, năng lượng laser có thể tăng thêm từ 10 nhịp hiện tại lên 40 nhịp và cường độ cực đại tập trung có thể tăng lên theo hệ số gần 10 hoặc hơn."