I laser ultracorti e intensi hanno un ampio campo di applicazioni, che comprende la fisica di base, la sicurezza nazionale, i servizi industriali e l’assistenza sanitaria. Nella fisica di base, tali laser sono diventati un potente strumento per la ricerca sulla fisica dei laser a campo forte, in particolare per le sorgenti di radiazioni guidate dal laser, l'accelerazione delle particelle laser, l'elettrodinamica quantistica del vuoto e altro ancora.
Un drammatico aumento della potenza di picco del laser, dal "Nova" da 1 petawatt del 1996 allo "Shanghai Super-intense Ultrafast Laser Facility" (SULF) da 10 petawatt del 2017 e all'"Extreme Light Infrastructure—Nuclear Physics" da 10 petawatt del 2019 ( ELI-NP), è dovuto a uno spostamento del mezzo di guadagno per i laser ad ampia apertura (dal vetro drogato al neodimio al titanio:cristallo di zaffiro). Questo spostamento ha ridotto la durata dell'impulso dei laser ad alta energia da circa 500 femtosecondi (fs) a circa 25 fs.
Tuttavia, il limite superiore per i laser ultracorti ultra intensi titanio:zaffiro sembra essere 10 petawatt. Attualmente, per la pianificazione dello sviluppo da 10 petawatt a 100 petawatt, i ricercatori generalmente abbandonano la tecnologia di amplificazione degli impulsi cinguettati titanio:zaffiro e si rivolgono alla tecnologia di amplificazione ottica parametrica degli impulsi cinguettati, basata su cristalli non lineari di fosfato monobasico di potassio deuterato. Questa tecnologia, a causa della sua bassa efficienza di conversione da pompa a segnale e della scarsa stabilità spaziotemporale-spettrale dell'energia, rappresenterà una grande sfida per la realizzazione e l'applicazione dei futuri laser da 10-100 petawatt.
D'altra parte, la tecnologia di amplificazione degli impulsi cinguettati titanio:zaffiro, essendo una tecnologia matura che ha realizzato con successo due laser da 10 petawatt in Cina e in Europa, ha ancora un grande potenziale per lo sviluppo della fase successiva di laser ultracorti ultraintensi. /P>
Titanio:il cristallo di zaffiro è un mezzo di guadagno laser a banda larga di tipo energetico. L'impulso della pompa viene assorbito per creare un'inversione di popolazione tra i livelli di energia superiore e inferiore, che completa l'accumulo di energia. Quando l'impulso del segnale attraversa più volte il cristallo di titanio:zaffiro, l'energia immagazzinata viene estratta per l'amplificazione del segnale laser. Tuttavia, nel laser parassita trasversale, un rumore di emissione spontanea amplificato lungo il diametro del cristallo consuma l'energia immagazzinata e riduce l'amplificazione del segnale laser.
Attualmente, l’apertura massima dei cristalli di titanio:zaffiro può supportare solo laser da 10 petawatt. Anche con cristalli di titanio:zaffiro più grandi, l'amplificazione laser non è ancora possibile perché il forte laser parassita trasversale aumenta esponenzialmente all'aumentare della dimensione dei cristalli di titanio:zaffiro.
In risposta a questa sfida, i ricercatori hanno adottato un approccio innovativo che prevede l’unione coerente di più cristalli di titanio:zaffiro. Come riportato in Advanced Photonics Nexus , questo metodo supera l'attuale limite di 10 petawatt sui laser ultracorti ultra-intensi titanio:zaffiro, aumentando efficacemente il diametro di apertura dell'intero cristallo piastrellato titanio:zaffiro e troncando anche il laser parassita trasversale all'interno di ciascun cristallo piastrellato.
L'autore corrispondente Yuxin Leng dello Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics osserva:"L'amplificazione laser piastrellata in titanio:zaffiro è stata dimostrata con successo nel nostro sistema laser da 100 terawatt (cioè 0,1 petawatt). Abbiamo ottenuto un'amplificazione laser quasi ideale utilizzando questo tecnologia, comprese elevate efficienze di conversione, energie stabili, spettri a banda larga, impulsi brevi e piccoli punti focali."
Il team di Leng riferisce che l'amplificazione laser in titanio:zaffiro fornisce un modo relativamente semplice ed economico per superare l'attuale limite di 10 petawatt.
"Aggiungendo un amplificatore laser ad alta energia 2×2 piastrellato in titanio:zaffiro nel SULF cinese o nell'ELI-NP europeo, gli attuali 10 petawatt possono essere ulteriormente aumentati a 40 petawatt e l'intensità di picco focalizzata può essere aumentata di quasi 10 volte o più", afferma Leng.
Il metodo promette di migliorare la capacità sperimentale dei laser ultracorti e intensi per la fisica dei laser a campo forte.
Ulteriori informazioni: Yanqi Liu et al, Amplificazione laser Ti:zaffiro coerentemente piastrellata:un modo per superare il limite di 10 petawatt sugli attuali laser ultraintensi, Advanced Photonics Nexus (2023). DOI:10.1117/1.APN.2.6.066009
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