Espera-se que a tecnologia de amplificação do laser Sapphire melhore as capacidades experimentais de lasers ultrapoderosos e ultracurtos na física do laser de campo forte. Os lasers ultraintensos e ultracurtos têm uma ampla gama de aplicações, incluindo física fundamental, segurança nacional, serviços industriais e saúde. No campo da física básica, esse tipo de laser tornou-se uma ferramenta poderosa para o estudo da física do laser de campo forte, especialmente em aspectos como fontes de radiação acionadas por laser, aceleração de partículas de laser e eletrodinâmica quântica de vácuo.

Energia laser e desenvolvimento de tecnologia

De 1 petawatt "Nova" em 1996 a 10 petawatts "Shanghai Ultrafast Laser Facility" (SULF) em 2017 e 10 petawatts "Aurora Infrastructure-Nuclear Physics" (ELI-NP) em 2019, o aumento acentuado na potência de pico do laser se deve à transformação do meio de ganho de lasers de grande abertura (de "vidro dopado com neodímio" para "Titânio: cristal de safira"). Essa mudança encurta a duração do pulso dos lasers de alta energia de cerca de 500 femtossegundos (fs) para cerca de 25 fs.

No entanto, o limite superior do laser ultrapoderoso e ultracurto de titânio: safira parece ser de 10 petawatts. Atualmente, no plano de desenvolvimento de 10 a 100 petawatts, os pesquisadores geralmente abandonam o titânio: a tecnologia de amplificação de pulso de safira e, em vez disso, adotam a tecnologia de amplificação de pulso paramétrica óptica baseada em cristal não linear de di-hidrogenofosfato de potássio deuterado.

Esta tecnologia representará um enorme desafio para a implementação e aplicação de lasers de 10-100 Petawatts no futuro devido à sua baixa eficiência de conversão de bomba em sinal e baixa estabilidade de energia espectral espaço-temporal. Por outro lado, a tecnologia de amplificação de pulso de titânio: safira é uma tecnologia madura, especialmente dois lasers de 10 Petawatts foram implementados com sucesso na China e na Europa, e ainda tem grande potencial no próximo estágio de desenvolvimento de lasers ultrapoderosos e ultracurtos.

Titânio: desafios para cristais de safira

Titânio: o cristal de safira é um meio de ganho de laser de banda larga com nível de energia. Depois que o pulso da bomba é absorvido, uma inversão populacional é formada entre o nível de energia superior e o nível de energia inferior, completando assim o armazenamento de energia. Quando o pulso do sinal passa pelo cristal de titânio: safira várias vezes, a energia armazenada é extraída e usada para amplificação do sinal do laser. Porém, em lasers parasitas transversais, o ruído de emissão espontânea ao longo da direção do diâmetro do cristal é amplificado, consumindo a energia armazenada e reduzindo a taxa de amplificação do sinal do laser.

Atualmente, a abertura máxima dos cristais de titânio: safira só pode suportar lasers de 10 Petawatts. A amplificação do laser ainda não é possível, mesmo com cristais maiores de titânio: safira, porque o intenso laser parasita lateral aumenta exponencialmente à medida que o tamanho do cristal de titânio: safira aumenta.

Soluções inovadoras e potencial futuro

Para enfrentar esse desafio, os pesquisadores adotaram uma abordagem inovadora ao unir de forma coerente vários cristais de titânio:safira. De acordo com um relatório da revista "Advanced Photonics Nexus" de 23 de dezembro de 2023, este método ultrapassa o limite atual de 10 petawatts de titânio: lasers ultrafortes e ultracurtos de safira, aumenta efetivamente a abertura de todo o titânio revestido: cristal de safira e também corta a luz laser parasita lateral dentro de cada cristal revestido.

O autor correspondente Leng Yuxin, do Instituto de Óptica e Mecânica Fina de Xangai, apontou: "Em nosso sistema de laser de 100 Terawatts (ou seja, 0,1 Petawatt), demonstramos com sucesso titânio em mosaico: amplificação de laser de safira. Usamos essa tecnologia para obter efeitos de amplificação de laser quase ideais, incluindo alta eficiência de conversão, energia estável, espectro de banda larga, pulsos curtos e pequenos pontos focais. "

A equipe relata que a tecnologia coerente de amplificação de laser de titânio:safira fornece uma maneira relativamente simples e barata de ultrapassar o limite atual de 10 petawatts. "Ao adicionar um amplificador de laser de alta energia de titânio: safira 2x2 coerente ao SULF da China ou ao ELI-NP da UE, os atuais 10 petawatts podem ser aumentados para 40 petawatts, e a intensidade do pico de foco pode ser aumentada em quase 10 vezes ou até mais." ele disse.

Espera-se que este método melhore as capacidades experimentais de lasers ultraintensos e ultracurtos na física do laser de campo forte.

Fonte compilada: ScitechDaily