Los láseres ultracortos ultraintensos tienen una amplia gama de aplicaciones, que abarcan la física básica, la seguridad nacional, los servicios industriales y la atención médica. En física básica, estos láseres se han convertido en una poderosa herramienta para investigar la física de los láseres de campo fuerte, especialmente para fuentes de radiación impulsadas por láser, aceleración de partículas láser, electrodinámica cuántica del vacío y más.

Un aumento espectacular en la potencia máxima del láser, desde el "Nova" de 1 petavatio de 1996 hasta la "Instalación de láser ultrarrápido superintenso de Shanghai" (SULF) de 10 petavatios de 2017 y la "Infraestructura de luz extrema:física nuclear" de 10 petavatios de 2019 ( ELI-NP), se debe a un cambio en el medio de ganancia para los láseres de gran apertura (de vidrio dopado con neodimio a titanio:cristal de zafiro). Ese cambio redujo la duración del pulso de los láseres de alta energía de alrededor de 500 femtosegundos (fs) a alrededor de 25 fs.

Sin embargo, el límite superior para los láseres ultracortos ultraintensos de titanio:zafiro parece ser de 10 petavatios. Actualmente, para la planificación del desarrollo de 10 petavatios a 100 petavatios, los investigadores generalmente abandonan la tecnología de amplificación de pulso chirriado de titanio:zafiro y recurren a la tecnología de amplificación de pulso chirriado óptica paramétrica, basada en cristales no lineales de dihidrógeno fosfato de potasio deuterado. Esa tecnología, debido a su baja eficiencia de conversión de bomba a señal y su escasa estabilidad espaciotemporal-espectral-energética, planteará un gran desafío para la realización y aplicación de los futuros láseres de 10 a 100 petavatios.

Por otro lado, la tecnología de amplificación de pulso chirriado de titanio:zafiro, como una tecnología madura que ha realizado con éxito dos láseres de 10 petavatios en China y Europa, todavía tiene un gran potencial para la siguiente etapa de desarrollo de láseres ultracortos ultraintensos. /P>

Titanio:el cristal de zafiro es un medio de ganancia láser de banda ancha de tipo nivel de energía. El pulso de la bomba se absorbe para generar una inversión de población entre los niveles de energía superior e inferior, lo que completa el almacenamiento de energía. Cuando el pulso de la señal pasa a través del cristal de titanio y zafiro varias veces, la energía almacenada se extrae para amplificar la señal láser. Sin embargo, en el láser parásito transversal, un ruido de emisión espontánea amplificado a lo largo del diámetro del cristal consume la energía almacenada y reduce la amplificación de la señal del láser.

Actualmente, la apertura máxima de los cristales de titanio y zafiro sólo puede soportar láseres de 10 petavatios. Incluso con cristales de titanio:zafiro más grandes, la amplificación láser todavía no es posible porque el fuerte láser parásito transversal aumenta exponencialmente a medida que aumenta el tamaño de los cristales de titanio:zafiro.

En respuesta a este desafío, los investigadores han adoptado un enfoque innovador que implica unir de manera coherente múltiples cristales de titanio y zafiro. Como se informa en Advanced Photonics Nexus , este método rompe el límite actual de 10 petavatios en los láseres ultracortos ultraintensos de titanio:zafiro, aumentando efectivamente el diámetro de apertura de todo el cristal de titanio:zafiro en mosaico y también truncando el láser parásito transversal dentro de cada cristal de mosaico.

El autor correspondiente, Yuxin Leng, del Instituto de Óptica y Mecánica Fina de Shanghai, señala:"La amplificación láser de titanio y zafiro en mosaico se demostró con éxito en nuestro sistema láser de 100 teravatios (es decir, 0,1 petavatios). Logramos una amplificación láser casi ideal usando este tecnología, que incluye altas eficiencias de conversión, energías estables, espectros de banda ancha, pulsos cortos y puntos focales pequeños."

El equipo de Leng informa que la amplificación láser de titanio y zafiro en mosaico coherente proporciona una manera relativamente fácil y económica de superar el límite actual de 10 petavatios.

"Al agregar un amplificador láser de alta energía de titanio:zafiro de 2 × 2 en mosaico coherente en el SULF de China o el ELI-NP de la UE, los 10 petavatios actuales se pueden aumentar aún más a 40 petavatios y la intensidad máxima enfocada se puede aumentar en casi 10 petavatios. veces o más", dice Leng.

El método promete mejorar la capacidad experimental de láseres ultraintensos y ultracortos para la física de láseres de campo fuerte.

Más información: Yanqi Liu et al, Amplificación láser de Ti:zafiro en mosaico coherente:una forma de romper el límite de 10 petavatios en los láseres ultraintensos actuales, Advanced Photonics Nexus (2023). DOI:10.1117/1.APN.2.6.066009

Proporcionado por SPIE