قدرت فوق العاده: شکستن مرز 10 پتاوات با تقویت لیزر جدید
قدرت فوق العاده: شکستن مرز 10 پتاوات با تقویت لیزر جدید –تیتانیوم کاشی: تقویت لیزری یاقوت کبود نوید افزایش قابلیت آزمایشی لیزرهای فوق کوتاه فوق العاده شدید را برای فیزیک لیزر میدان قوی می دهد.
لیزرهای فوق‌کوتاه بسیار شدید دارای دامنه وسیعی از کاربردها هستند که شامل فیزیک پایه، امنیت ملی، خدمات صنعتی و مراقبت‌های بهداشتی می‌شود.
در فیزیک پایه، چنین لیزرهایی به ابزاری قدرتمند برای تحقیق در مورد فیزیک لیزر میدان قوی، به ویژه برای منابع تابشی لیزر محور، شتاب ذرات لیزر، الکترودینامیک کوانتومی خلاء و غیره تبدیل شده‌اند.
تکامل قدرت لیزر و فناوری
افزایش چشمگیر در اوج قدرت لیزر، از 1996 1 پتاوات “Nova” تا 2017 10 پتاوات “تاسیسات لیزر فوق سریع شانگهای” (SULF) و 2019 10 پتاوات “زیرساخت نور شدید – هسته Phys” ELI-NP)، به دلیل تغییر در محیط بهره برای لیزرهای با دیافراگم بزرگ است (از “شیشه دوپ شده با نئودیمیم” به “کریستال تیتانیوم: یاقوت کبود”).
این تغییر، مدت زمان پالس لیزرهای پرانرژی را از حدود 500 فمتوثانیه (fs) به حدود 25 fs کاهش داد.
محدودیت ها و نوآوری ها در فناوری لیزر
با این حال، حد بالایی برای لیزرهای فوق‌کوتاه بسیار شدید تیتانیوم: یاقوت کبود به نظر می‌رسد 10 پتاوات باشد.
در حال حاضر، برای برنامه ریزی توسعه 10 پتاوات تا 100 پتاوات، محققان به طور کلی فناوری تقویت پالس چیپ چیپ تیتانیوم: یاقوت کبود را کنار می گذارند و به فناوری تقویت پالس چیرپ پارامتریک نوری، مبتنی بر پتاسیم دی هیدروژن فسفات دوتره شده c غیرخطی روی می آورند.
این فناوری به دلیل راندمان پایین تبدیل پمپ به سیگنال و پایداری انرژی فضایی-زمانی-طیفی ضعیف، چالش بزرگی برای تحقق و کاربرد لیزرهای 10-100 پتاوات آینده خواهد بود.
از سوی دیگر، فناوری تقویت پالس چیرپ چیپ تیتانیوم: یاقوت کبود، به عنوان یک فناوری بالغ که با موفقیت دو لیزر 10 پتاواتی را در چین و اروپا اجرا کرده است، هنوز هم پتانسیل زیادی برای توسعه مرحله بعدی لیزرهای فوق‌کوتاه بسیار شدید دارد.
چالش های تیتانیوم: کریستال های یاقوت کبود
تیتانیوم: کریستال یاقوت کبود یک رسانه افزایش لیزر پهن باند سطح انرژی است.
پالس پمپ جذب می شود تا یک وارونگی جمعیت بین سطوح انرژی بالا و پایین ایجاد شود که ذخیره انرژی را کامل می کند.
هنگامی که پالس سیگنال چندین بار از کریستال تیتانیوم: یاقوت کبود عبور می کند، انرژی ذخیره شده برای تقویت سیگنال لیزری استخراج می شود.
با این حال، در لیزر انگلی عرضی، یک نویز انتشار خودبه‌خودی تقویت‌شده در امتداد قطر کریستال، انرژی ذخیره‌شده را مصرف می‌کند و تقویت لیزر سیگنال را کاهش می‌دهد.
در حال حاضر، حداکثر دیافراگم کریستال های تیتانیوم: یاقوت کبود فقط می تواند لیزرهای 10 پتاواتی را پشتیبانی کند.
حتی با کریستال‌های بزرگ‌تر تیتانیوم: یاقوت کبود، تقویت لیزر هنوز امکان‌پذیر نیست، زیرا لیزر انگلی عرضی قوی به طور تصاعدی با افزایش اندازه کریستال‌های تیتانیوم: یاقوت کبود افزایش می‌یابد.
راه حل های نوآورانه و پتانسیل های آینده
در پاسخ به این چالش، محققان رویکردی نوآورانه اتخاذ کرده‌اند که شامل کاشی کاری منسجم چند کریستال تیتانیوم: یاقوت کبود با هم است.
همانطور که در 23 دسامبر 2023، در Advanced Photonics Nexus گزارش شده است، این روش از حد 10 پتاوات فعلی لیزرهای فوق‌کوتاه فوق‌العاده تیتانیوم: یاقوت کبود می‌گذرد و به طور موثر قطر دهانه کل کریستال تیتانیوم: یاقوت کبود را افزایش می‌دهد و همچنین کوتاه می‌کند. تابش انگلی عرضی در هر کریستال کاشی کاری.
نویسنده مسئول، یوکسین لنگ از مؤسسه اپتیک و مکانیک خوب شانگهای، خاطرنشان می‌کند: «تقویت لیزر کاشی‌شده تیتانیوم: یاقوت کبود در سیستم لیزری ۱۰۰ تراواتی (یعنی ۰.۱ پتاوات) ما با موفقیت نشان داده شد.
ما با استفاده از این فناوری به تقویت لیزر تقریبا ایده آل دست یافتیم، از جمله راندمان تبدیل بالا، انرژی های پایدار، طیف پهنای باند، پالس های کوتاه و نقاط کانونی کوچک.
تیم Leng گزارش می دهد که تقویت لیزری تیتانیوم: یاقوت کبود با کاشی منسجم یک راه نسبتا آسان و ارزان را برای فراتر رفتن از حد فعلی 10 پتاوات فراهم می کند.
با افزودن یک تقویت‌کننده لیزری پرانرژی تیتانیوم: یاقوت کبود 2×2 در SULF چین یا ELI-NP اتحادیه اروپا، 10 پتاوات فعلی را می‌توان به 40 پتاوات افزایش داد و شدت پیک متمرکز را تقریباً 10 افزایش داد.
لنگ می گوید: بارها یا بیشتر.
این روش نوید افزایش قابلیت آزمایشی لیزرهای فوق کوتاه فوق العاده شدید را برای فیزیک لیزر میدان قوی می دهد.
