Extreme Power: Zerschlagen der 10-Petawatt-Grenze mit neuer Laser-Verstärkung

Kohärent geflieste Titan:Saphir-Laser-Verstärkung. Credit: Yuxin Leng

Ultra-intensiver ultrakurzer Laser haben ein breites Anwendungsspektrum, das grundlegende Physik, nationalen Sicherheit, industriellen Service und Gesundheitsversorgung umfasst. In der grundlegenden Physik sind solche Laser zu einem leistungsstarken Werkzeug für die Erforschung der starken Auswirkungen von Laserphysik geworden, insbesondere für lasergetriebene Strahlungsquellen, Laserpartikelbeschleunigung, Vakuum-Quantenelektrodynamik und so weiter.

Ein dramatischer Anstieg der Spitzenlaserleistung, angefangen von dem 1-Petawatt-Laser "Nova" aus dem Jahr 1996 bis hin zu dem 10-Petawatt-Laser "Shanghai Super-intense Ultrafast Laser Facility" (SULF) aus dem Jahr 2017 und dem 10-Petawatt-Laser "Extreme Light Infrastructure - Nuclear Physics" (ELI-NP) aus dem Jahr 2019, ist auf eine Veränderung des Verstärkungsmediums für große Laserspiegel (von "neodym-dotiertem Glas" zu "Titan:Saphir-Kristall") zurückzuführen. Diese Verschiebung hat die Pulsdauer von Hochenergielasern von etwa 500 Femtosekunden (fs) auf etwa 25 fs reduziert.

Die Obergrenze für ultraintensive ultrakurze Titan:Saphir-Laser scheint jedoch bei 10 Petawatt zu liegen. Für die Entwicklung von 10-Petawatt- bis 100-Petawatt-Planungen geben Forscher im Allgemeinen die Titan:Saphir-gechirpten Pulsverstärkungstechnologien auf und setzen stattdessen auf die optische parametrische gechirpte Pulsverstärkungstechnologie, basierend auf deuterierten Kaliumdihydrogenphosphat-Nichtlinearkristallen.

Diese Technologie wird aufgrund ihrer geringen Umwandlungseffizienz von Pump- zu Signalenergie und ihrer schlechten räumlich-zeitlich-spektralen-Energie-Stabilität eine große Herausforderung für die Realisierung und Anwendung von zukünftigen 10-100 petawatt-Lasern darstellen. Andererseits hat die Titan:Saphir-gechirpte Pulsverstärkungstechnologie als eine reife Technologie, die bereits zwei 10-Petawatt-Laser in China und Europa erfolgreich realisiert hat, weiterhin ein großes Potenzial für die Entwicklung von Ultraintensiven ultrakurzen Lasern der nächsten Generation.

Der Titan:Saphir-Kristall ist ein breitbandiges Laser-Verstärkungsmedium des Energie-Level-Typs. Der Pumpimpuls wird zur Bildung einer Besetzungsinversion zwischen den oberen und unteren Energie-Niveaus absorbiert, was die Energiespeicherung ermöglicht. Wenn der Signalimpuls mehrmals durch den Titan:Saphir-Kristall läuft, wird die gespeicherte Energie zur Verstärkung des Lasersignals extrahiert. Bei einer parasitären transversalen Laserung wird jedoch das gespeicherte Signalimpuls entlang des Kristalldurchmessers verringert und der Signal-Laserverstärkung verringert.

Aktuell können Titan:Saphir-Kristalle nur Petawatt-Laser bis zu einer bestimmten Größe unterstützen. Auch mit größeren Titan:Saphir-Kristallen ist eine Laserverstärkung aufgrund starker parasitärer transversaler Laserung nicht möglich, die exponentiell mit der Größe der Titan:Saphir-Kristalle zunimmt.

Um dieser Herausforderung zu begegnen, haben Forscher einen innovativen Ansatz gewählt, bei dem mehrere Titan:Saphir-Kristalle kohärent zusammengefügt werden. Wie am 23. Dezember 2023 in Advanced Photonics Nexus berichtet, durchbricht diese Methode die derzeitige 10-Petawatt-Grenze für den ultra-intensiven ultrakurzen Titan:Saphir-Laser und erhöht effektiv den Durchmesser der gesamten gekachelten Titan:Saphir-Kristalle und begrenzt auch die parasitäre transversale Laserung innerhalb jedes gekachelten Kristalls.

Der entsprechende Autor Yuxin Leng vom Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics gibt an: "Die kohärent geflieste Titan:Saphir-Laser-Verstärkung wurde erfolgreich in unserem 100-Terawatt (d.h. 0,1-Petawatt)-Lasersystem demonstriert. Wir haben mit dieser Technologie eine nahezu ideale Laser-Verstärkung erreicht, einschließlich hoher Umwandlungseffizienzen, stabiler Energien, breitbandiger Spektren, kurzer Pulse und kleiner Brennflecken."

Lengs Team berichtet, dass die kohärent geflieste Titan:Saphir-Laser-Verstärkung eine relativ einfache und kostengünstige Möglichkeit bietet, die derzeitige 10-Petawatt-Grenze zu überschreiten. "Durch Hinzufügen eines 2x2 kohärent geflieste Titan:Saphir-Hochenergie-Laser-Verstärkers im Shanghai Super-intense Ultrafast Laser Facility (SULF) oder im Extreme Light Infrastructure - Nuclear Physics (ELI-NP) in Europa kann die derzeitige 10-Petawatt-Marke auf 40-Petawatt erhöht und die Spitzenintensität fast um das Zehnfache erhöht werden" sagt Leng.

Die Methode verspricht, die experimentelle Fähigkeit von ultra-intensiven ultrakurzen Lasern für die starke Feldlaserphysik zu verbessern.