Es wird erwartet, dass die Saphir-Laserverstärkungstechnologie die experimentellen Möglichkeiten ultraleistungsstarker und ultrakurzer Laser in der Starkfeld-Laserphysik verbessert. Ultraintensive und ultrakurze Laser haben ein breites Anwendungsspektrum, darunter Grundlagenphysik, nationale Sicherheit, Industriedienstleistungen und Gesundheitswesen. Im Bereich der Grundlagenphysik hat sich dieser Lasertyp zu einem leistungsstarken Werkzeug für die Untersuchung der Starkfeld-Laserphysik entwickelt, insbesondere in Aspekten wie laserbetriebenen Strahlungsquellen, Laserteilchenbeschleunigung und Vakuumquantenelektrodynamik.

Laserleistung und Technologieentwicklung

Von 1 Petawatt „Nova“ im Jahr 1996 auf 10 Petawatt „Shanghai Ultrafast Laser Facility“ (SULF) im Jahr 2017 und 10 Petawatt „Aurora Infrastructure-Nuclear Physics“ (ELI-NP) im Jahr 2019 ist der starke Anstieg der Laserspitzenleistung auf die Transformation des Verstärkungsmediums von Lasern mit großer Apertur (von „Neodym-dotiertes Glas“ zu „Titanium“) zurückzuführen. Saphirglas"). Durch diese Verschiebung verkürzt sich die Pulsdauer von Hochenergielasern von etwa 500 Femtosekunden (fs) auf etwa 25 fs.

Allerdings scheint die Obergrenze des ultraleistungsstarken und ultrakurzen Lasers aus Titan:Saphir bei 10 Petawatt zu liegen. Derzeit verzichten die Forscher im Entwicklungsplan von 10 bis 100 Petawatt generell auf die Titan-Saphir-Chirped-Pulsverstärkungstechnologie und übernehmen stattdessen die optisch-parametrische Chirped-Pulsverstärkungstechnologie auf der Basis von deuteriertem nichtlinearem Kaliumdihydrogenphosphat-Kristall.

Diese Technologie wird in Zukunft eine große Herausforderung für die Implementierung und Anwendung von 10-100-Petawatt-Lasern darstellen, da sie eine geringe Pump-zu-Signal-Umwandlungseffizienz und eine schlechte räumlich-zeitliche spektrale Energiestabilität aufweist. Andererseits ist die Titan-Saphir-Chirped-Pulsverstärkungstechnologie eine ausgereifte Technologie, insbesondere zwei 10-Petawatt-Laser wurden in China und Europa erfolgreich implementiert und bietet noch großes Potenzial für die nächste Stufe der Entwicklung ultraleistungsstarker und ultrakurzer Laser.

Titan: Herausforderungen für Saphirkristalle

Titan: Saphirkristall ist ein breitbandiges Laserverstärkungsmedium auf Energieniveau. Nachdem der Pumpimpuls absorbiert wurde, kommt es zu einer Besetzungsumkehr zwischen dem oberen Energieniveau und dem unteren Energieniveau, wodurch die Energiespeicherung abgeschlossen wird. Wenn der Signalimpuls das Titan-Saphir-Kristall mehrmals durchläuft, wird die gespeicherte Energie extrahiert und zur Lasersignalverstärkung verwendet. Bei transversal parasitären Lasern wird jedoch das spontane Emissionsrauschen entlang der Richtung des Kristalldurchmessers verstärkt, wodurch die gespeicherte Energie verbraucht und die Verstärkungsrate des Lasersignals verringert wird.

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 intensive seitliche parasitäre Laserstrahlung mit zunehmender Größe des Titan-Saphir-Kristalls exponentiell zunimmt.

Innovative Lösungen und Zukunftspotenzial

Um dieser Herausforderung zu begegnen, wählten die Forscher einen innovativen Ansatz, indem sie mehrere Titan-Saphir-Kristalle kohärent zusammenfügten. Laut einem Bericht in der Zeitschrift „Advanced Photonics Nexus“ vom 23. Dezember 2023 durchbricht diese Methode die aktuelle Grenze von 10 Petawatt ultrastarker und ultrakurzer Titan-Saphir-Laser, vergrößert effektiv die Apertur des gesamten gekachelten Titan-Saphir-Kristalls und schneidet außerdem das seitlich parasitäre Laserlicht innerhalb jedes gekachelten Kristalls ab.

Der korrespondierende Autor Leng Yuxin vom Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics betonte: „In unserem 100-Terawatt-Lasersystem (d. h. 0,1 Petawatt) haben wir die gekachelte Titan-Saphir-Laserverstärkung erfolgreich demonstriert. Mit dieser Technologie konnten wir nahezu ideale Laserverstärkungseffekte erzielen, darunter hohe Umwandlungseffizienz, stabile Energie, Breitbandspektrum, kurze Impulse und kleine Brennflecke.“

Das Team berichtet, dass die kohärente gekachelte Titan-Saphir-Laserverstärkungstechnologie eine relativ einfache und kostengünstige Möglichkeit bietet, die aktuelle Grenze von 10 Petawatt zu überschreiten. „Durch die Hinzufügung eines 2×2 kohärenten gekachelten Hochenergie-Laserverstärkers aus Titan: Saphir zu Chinas SULF oder EUs ELI-NP können die aktuellen 10 Petawatt weiter auf 40 Petawatt erhöht werden, und die Fokusspitzenintensität kann um fast das Zehnfache oder sogar mehr erhöht werden.“ sagte er.

Es wird erwartet, dass diese Methode die experimentellen Möglichkeiten ultraintensiver und ultrakurzer Laser in der Starkfeld-Laserphysik verbessert.

Zusammengestellte Quelle: ScitechDaily