새로운 레이저 증폭기 출시: 10비트 와트의 전력 제한을 깨뜨렸습니다!

초강력 극초단 레이저는 기초 물리학, 국가 안보, 산업 서비스, 의료 등 광범위한 응용 분야를 가지고 있습니다. 기초 물리학에서 이러한 레이저는 특히 레이저 구동 방사선 소스, 레이저 입자 가속 및 진공 양자 전기 역학에서 강한 장 레이저 물리학을 연구하기 위한 강력한 도구가 되었습니다.
1996년 1-비트 와트 "Nova"부터 2017년 10-비트 와트 상하이 실험용 초강력 초단 레이저 시설(SULF) 및 10-비트 와트 유럽 " 2019년 극광 기반 핵 물리학(ELI-NP), 피크 레이저 출력의 급격한 증가는 대구경 레이저의 이득 매질(네오디뮴 첨가 유리에서 티타늄:사파이어 결정으로)의 이동으로 인해 발생합니다. 이러한 변화는 고에너지 레이저의 펄스 지속 시간을 약 500fs에서 약 25fs로 줄였습니다.
그러나 티타늄-사파이어 초강력 극초단 레이저는 최대 10비트 와트까지 올라가는 것으로 보인다. 현재 10패트와트~100패트와트의 개발 계획에 대해 연구자들은 일반적으로 티타늄 사파이어 처프 펄스 증폭 기술에 대해 덜 희망적이며 대신 중수소 칼륨을 기반으로 하는 광학 매개변수 처프 펄스 증폭 기술을 목표로 하고 있습니다. 인산이수소 비선형 결정.
그러나 후자가 좋은 응용 전망을 갖고 있음에도 불구하고 낮은 펌프 신호 변환 효율과 시간-스펙트럼-에너지 안정성 부족으로 인해 미래의 10-100비트-와트 레이저의 실현과 응용에 큰 어려움이 따릅니다.
한편, 이미 중국과 유럽에서 각각 10기가와트 레이저를 구축한 성숙한 기술인 티타늄 사파이어 처프 펄스 증폭은 초강력 초단 레이저 개발의 다음 단계에서 여전히 큰 잠재력을 가지고 있습니다.
티타늄: 사파이어 크리스털은 에너지 수준의 광대역 레이저 이득 매체입니다. 게인 프로세스 동안 펌프 펄스가 흡수되고 에너지 저장을 달성하기 위해 상위 에너지 레벨과 하위 에너지 레벨 사이에 에너지 레벨 반전이 설정됩니다. 신호 펄스가 티타늄 사파이어 크리스탈을 여러 번 통과하면서 저장된 에너지가 레이저 신호 증폭을 위해 추출됩니다. 그러나 가로 기생 레이저에서는 자연 방출 잡음이 결정 직경을 따라 증폭되어 저장된 에너지를 소비하고 신호 레이저 증폭이 감소합니다.
기생 레이저는 레이저 또는 증폭기 장치에서 발생하는 원치 않는 레이저 작동 유형입니다. 이 현상은 일반적으로 장치 내부의 일부에 레이저 공동이 의도치 않게 형성되어 레이저가 원치 않는 주파수나 모드로 진동하게 되면서 발생합니다. 기생 레이저가 존재하면 장치에서 원하는 레이저 작동이 방해되어 장치 성능이 저하되고 심지어 장치가 손상될 수도 있습니다.
현재 티타늄 사파이어 크리스털의 최대 조리개는 10비트 와트의 레이저만 지원할 수 있습니다. 더 큰 티타늄 사파이어 크리스털을 사용하더라도 강력한 가로 기생 레이저 발생이 티타늄 사파이어 크리스털 크기가 증가함에 따라 기하급수적으로 증가하기 때문에 레이저 증폭은 여전히 ​​불가능합니다.
돌파의 열쇠는 무엇인가?
이 문제를 해결하기 위해 연구원들은 여러 개의 티타늄 사파이어 크리스털을 일관되게 배치하는 혁신적인 접근 방식을 취했습니다.
Advanced Photonics Nexus에 따르면 이 방법은 전체 티타늄 사파이어 타일링 결정의 개구 직경을 효과적으로 늘리고 각 결정 내의 가로 기생 레이저를 절단하여 현재 티타늄 사파이어 초강력 극초단 레이저의 탭와트 한계를 돌파합니다. 타일링 크리스탈.
논문의 교신 저자이자 Shanghai Institute of Optics and Precision Machinery의 연구원인 Yuxin Leng은 "우리는 100테라와트(즉, 0.1테라와트)에서 타일형 티타늄:사파이어 레이저 증폭을 성공적으로 시연했습니다. beat-watt) 레이저 시스템. 우리는 이 기술을 사용하여 높은 변환 효율, 안정적인 에너지, 광대역 스펙트럼, 짧은 펄스 및 작은 초점을 포함하여 거의 이상적인 레이저 증폭을 달성했습니다."
그의 팀은 응집성 타일 티타늄:사파이어 레이저 증폭이 현재 한계인 10kWh를 초과하는 상대적으로 간단하고 저렴한 방법을 제공한다고 보고합니다. 이 방법은 강장 레이저 물리학에서 초강력 초단 레이저의 실험 능력을 향상시킬 것으로 기대됩니다.
"상하이 실험용 초강력 초단거리 레이저 시설(SULF) 또는 유럽 연합의 극광 기반 핵물리학(ELI-NP) 시설에 2×2 응집성 타일형 티타늄:사파이어 고에너지 레이저 증폭기를 추가함으로써 레이저 출력은 현재의 10비트 와트에서 40비트 와트로 더 증가할 수 있으며 집중된 피크 강도는 거의 10배 이상 증가할 수 있습니다."