Современные сверхинтенсивные ультракороткие лазеры играют значительную роль в различных областях, включая фундаментальную физику, национальную безопасность, промышленность и здравоохранение. Они стали важным инструментом для изучения физики сильных лазерных полей, что включает в себя источники лазерного излучения, ускорение частиц лазером, квантовую электродинамику в вакууме и многое другое.
За последние годы был достигнут значительный рост мощности лазеров: с 1 петаватт установки “Nova” в 1996 году до 10 петаватт у “Шанхайской сверхинтенсивной ультрабыстрой лазерной установки” (SULF) в 2017 году и “Инфраструктуры сверхсветовой интенсивности – ядерной физики” (ELI-NP) в 2019 году. Это стало возможным благодаря изменению усилительной среды в лазерах большой апертуры с неодимово-легированного стекла на кристалл титан-сапфира, что позволило сократить длительность импульсов с 500 фемтосекунд до примерно 25 фемтосекунд.
Однако существует предел в 10 петаватт для ультраинтенсивных ультракоротких лазеров на кристаллах титан-сапфира. В настоящее время исследователи переходят к технологии оптического параметрического усиления импульсов с использованием кристаллов дейтерированного дигидрофосфата калия для разработки лазеров мощностью от 10 до 100 петаватт. Несмотря на то, что эта технология имеет низкую эффективность преобразования энергии и стабильность, она представляет собой большой вызов для создания и применения лазеров мощностью 10-100 петаватт.
С другой стороны, технология усиления импульсов на кристаллах титан-сапфира, успешно реализованная в двух 10-петаваттных лазерах в Китае и Европе, по-прежнему обладает большим потенциалом для дальнейшего развития сверхинтенсивных ультракоротких лазеров.
Основным ограничением кристаллов титан-сапфира является максимальная апертура, поддерживающая только лазеры мощностью 10 петаватт. Более крупные кристаллы титан-сапфира не позволяют увеличить усиление из-за усиленного поперечного паразитного лазерного излучения.
В ответ на эту проблему исследователи предложили новый подход , заключающийся в совместной укладке нескольких кристаллов титан-сапфира. Как сообщается в журнале Advanced Photonics Nexus, этот метод позволяет преодолеть текущий предел в 10 петаватт, увеличивая диаметр апертуры всего мозаичного кристалла титан-сапфира и уменьшая поперечное паразитное излучение в каждом кристалле.
Юсин Лен из Шанхайского института оптики и точной механики отметил: “Мозаичное усиление лазера на кристаллах титан-сапфира было успешно продемонстрировано в нашей 100-тераваттной (0,1 петаватт) лазерной системе. Мы достигли почти идеального усиления лазера с использованием этой технологии, включая высокие коэффициенты преобразования, стабильные энергии, широкий спектр, короткие импульсы и малые фокусные пятна.”
Команда Ленга сообщает, что метод мозаичного усиления лазера на кристаллах титан-сапфира предоставляет относительно простой и недорогой способ преодолеть текущий предел в 10 петаватт.
“Добавив 2×2 мозаично уложенный титан-сапфировый усилитель высокой энергии в китайскую SULF или европейскую ELI-NP, можно увеличить текущие 10 петаватт до 40 петаватт и увеличить пиковую интенсивность фокусировки почти в 10 раз или более,” говорит Ленг.
Этот метод обещает расширить экспериментальные возможности сверхинтенсивных ультракоротких лазеров для физики сильных лазерных полей.