Potenza estrema: Frantumare il limite di 10 petawatt con una nuova amplificazione laser

L'amplificazione coerente del laser al titanio: zaffiro. Credit: Yuxin Leng

I laser ultraintensi ultrabrevi hanno un'ampia gamma di applicazioni, che comprendono la fisica di base, la sicurezza nazionale, il servizio industriale e l'assistenza sanitaria. Nella fisica di base, tali laser sono diventati uno strumento potente per la ricerca sulla fisica dei campi forti, in particolare per le fonti di radiazione guidate dal laser, l'accelerazione di particelle laser, l'elettrodinamica quantistica del vuoto e così via.

Un aumento drammatico della potenza laser di picco, dal "Nova" da 1 petawatt del 1996 al "SULF Shanghai Super-intense Ultrafast Laser Facility" da 10 petawatt del 2017 e al "Extreme Light Infrastructure - Nuclear Physics" (ELI-NP) da 10 petawatt del 2019, è dovuto a un cambiamento del mezzo di guadagno per i laser ad ampia apertura (dal "vetro drogato al neodimio" al "cristallo di titanio: zaffiro"). Questo cambiamento 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 ultraintensi ultrabrevi al titanio: zaffiro sembra essere di 10 petawatt. Attualmente, per la pianificazione dello sviluppo da 10 a 100 petawatt, i ricercatori generalmente abbandonano la tecnologia di amplificazione ad impulsi chirpati al titanio: zaffiro e si rivolgono alla tecnologia di amplificazione ad impulsi chirpati parametrici ottici, basata sui cristalli non lineari al deuterato di fosfato di potassio.

Tale tecnologia, a causa della sua bassa efficienza di conversione da pompa a segnale e della scarsa stabilità spazio-temporale-spettrale-energetica, rappresenterà una grande sfida per la realizzazione e l'applicazione dei futuri laser da 10-100 petawatt. D'altra parte, la tecnologia di amplificazione ad impulsi chirpati al titanio: zaffiro, come tecnologia matura che ha realizzato con successo due laser da 10 petawatt in Cina ed Europa, ha ancora un grande potenziale per lo sviluppo successivo dei laser ultraintensi ultrabrevi.

Il cristallo di titanio: zaffiro è un mezzo di guadagno laser a larga banda di tipo a livelli energetici. L'impulso di pompaggio viene assorbito per creare un'inversione di popolazione tra i livelli energetici superiori e inferiori, che completa l'accumulo di energia. Quando l'impulso di segnale passa attraverso il cristallo di titanio: zaffiro più volte, l'energia accumulata viene estratta per l'amplificazione del segnale laser. Tuttavia, nella luce laser parassita trasversale, un rumore di emissione spontanea amplificata lungo il diametro del cristallo consuma l'energia accumulata 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 di dimensioni maggiori, non è ancora possibile l'amplificazione laser perché la luce laser parassita trasversale aumenta in modo esponenziale all'aumentare delle dimensioni dei cristalli di titanio: zaffiro.

In risposta a questa sfida, i ricercatori hanno adottato un approccio innovativo che prevede di piastrellare coerentemente insieme più cristalli di titanio: zaffiro. Come riportato il 23 dicembre 2023 su Advanced Photonics Nexus, questo metodo supera il limite attuale di 10 petawatt dei laser ultraintensi ultrabrevi al titanio: zaffiro, aumentando efficacemente il diametro dell'apertura dell'intero cristallo di titanio: zaffiro piastrellato e troncando anche la luce laser parassita trasversale all'interno di ogni cristallo piastrellato.

Yuxin Leng, autore corrispondente dell'Istituto di Ottica e Meccanica di Shanghai, afferma: "L'amplificazione laser al titanium:sapphire piastrellato è stata dimostrata con successo nel nostro sistema laser da 100 terawatt (cioè 0,1 petawatt). Abbiamo ottenuto un'amplificazione laser quasi ideale utilizzando questa tecnologia, comprese alte efficienze di conversione, energie stabili, spettri a banda larga, impulsi brevi e punti focali ridotti."

Il team di Leng afferma che l'amplificazione laser al titanium:sapphire piastrellato offre un modo relativamente facile ed economico per superare il limite attuale di 10 petawatt. "Aggiungendo un amplificatore laser ad alta energia titanium:sapphire piastrellato 2x2 al SULF della Cina o all'ELI-NP dell'UE, si può aumentare ulteriormente l'attuale potenza di 10 petawatt a 40 petawatt e aumentare l'intensità di picco focalizzata di quasi 10 volte o più", afferma Leng.

Il metodo promette di migliorare le capacità sperimentali dei laser ultraintensi ultrabrevi per la fisica dei campi forti.