Extreme Power: Rompiendo el límite de 10 Petavatios con la nueva amplificación láser

Amplificación de láser de titanio:safiro con teselas coherentemente colocadas. Crédito: Yuxin Leng[cm_tooltip_parse][/cm_tooltip_parse]

Los láseres ultra-intensos y ultracortos tienen un amplio campo de aplicaciones, que abarcan la física básica, la seguridad nacional, el servicio industrial y la atención médica. En la física básica, estos láseres se han convertido en una herramienta poderosa para investigar la física de láseres de campo fuerte, especialmente para fuentes de radiación impulsadas por láser, aceleración de partículas con láser, electrodinámica cuántica de vacío, y demás.

Un aumento dramático en la potencia máxima de los láseres, desde el petavatio "Nova" de 1996 hasta el láser ultra-rápido super-intenso de 10 petavatios "Shanghai Super-intense Ultrafast Laser Facility" (SULF) de 2017 y el de "Extreme Light Infrastructure – Nuclear Physics" (ELI-NP) de 10 petavatios en 2019, se debe a un cambio en el medio de ganancia para los láseres de gran apertura (de "vidrio dopado con neodimio" a "cristal de titanio:safiro"). Ese cambio redujo la duración del pulso de los láseres de alta energía de alrededor de 500 femtosegundos (fs) a alrededor de 25 fs.

Sin embargo, el límite superior para los láseres ultra-intensos y ultracortos de titanio:safiro parece ser 10 petavatios. En la actualidad, para la planificación del desarrollo de 10 a 100 petavatios, los investigadores generalmente abandonan la tecnología de amplificación de pulsos chirp de titanio:safiro y recurren a la tecnología de amplificación de pulsos chirp paramétricos ópticos, basada en cristales no lineales de fosfato de deuterio potásico.

Esa tecnología, debido a su baja eficiencia de conversión de bombeo a señal y a su baja estabilidad espaciotemporal-espectral-energética, representará un gran desafío para la realización y aplicación de los láseres de 10 a 100 petavatios en el futuro. Por otro lado, la tecnología de amplificación de pulsos chirp de titanio:safiro, como una tecnología madura que ha realizado con éxito dos láseres de 10 petavatios en China y Europa, aún tiene un gran potencial para el desarrollo de la siguiente etapa de láseres ultra-intensos y ultracortos.

El cristal de titanio:safiro es un medio de ganancia láser de banda ancha de tipo nivel de energía. El pulso de bombeo se absorbe para establecer una inversión de población entre los niveles de energía superior e inferior, lo que completa el almacenamiento de energía. Cuando el pulso de señal pasa a través del cristal de titanio:safiro varias veces, se extrae la energía almacenada para la amplificación de la señal láser. Sin embargo, en la emisión espontánea amplificada parasitaria transversal, un ruido de emisión espontánea amplificada a lo largo del diámetro del cristal consume la energía almacenada y reduce la amplificación láser de la señal.

Actualmente, el diámetro máximo de los cristales de titanio:safiro solo puede soportar láseres de 10 petavatios. Incluso con cristales de titanio:safiro más grandes, todavía no es posible la amplificación láser debido a que la emisión espontánea amplificada parasitaria transversal aumenta exponencialmente a medida que aumenta el tamaño de los cristales de titanio:safiro.

En respuesta a este desafío, los investigadores han adoptado un enfoque innovador que implica colocar coherentemente múltiples cristales de titanio:safiro juntos. Como se informa el 23 de diciembre de 2023 en Advanced Photonics Nexus, este método rompe el límite actual de 10 petavatios en los láseres ultra-intensos y ultracortos de titanio:safiro, aumentando efectivamente el diámetro de la apertura de todo el cristal de titanio:safiro con teselas y también truncando la emisión espontánea parasitaria transversal dentro de cada cristal.

Yanqi Liu, Keyang Liu, Zhaoyang Li, Yuxin Leng y Ruxin Li autores del estudio, señalan que la amplificación coherente de láser de titanio:safiro con teselas proporciona una forma relativamente fácil y económica de superar el límite actual de 10 petavatios. "Al agregar un amplificador de láser de alta energía de titanio:safiro con teselas 2×2 en el SULF de China o en el ELI-NP de la UE, el actual 10 petavatios se puede aumentar aún más a 40 petavatios y la intensidad máxima enfocada se puede aumentar casi 10 veces o más", dice Leng.

El método promete mejorar la capacidad experimental de los láseres ultra-intensos y ultracortos para la física de láseres de campo fuerte.