เปิดตัวเลเซอร์แอมพลิฟายเออร์ใหม่: ทลายขีดจำกัดกำลัง 10 บีทวัตต์!

เลเซอร์ที่สั้นมากเป็นพิเศษมีการใช้งานที่หลากหลาย รวมถึงฟิสิกส์พื้นฐาน ความมั่นคงแห่งชาติ บริการทางอุตสาหกรรม และการดูแลสุขภาพ ในฟิสิกส์พื้นฐาน เลเซอร์ดังกล่าวได้กลายเป็นเครื่องมืออันทรงพลังสำหรับการศึกษาฟิสิกส์ของเลเซอร์สนามแรง โดยเฉพาะอย่างยิ่งในแหล่งกำเนิดรังสีที่ขับเคลื่อนด้วยเลเซอร์ การเร่งอนุภาคเลเซอร์ และไฟฟ้าไดนามิกส์ควอนตัมสุญญากาศ
จาก 1-beat-watt "Nova" ในปี 1996 ไปจนถึง 10-beat-watt Shanghai Experimental Ultra-intense Ultrashort Laser Facility (SULF) ในปี 2017 และ 10-beat-watt European " โครงสร้างพื้นฐานของแสงที่รุนแรง-ฟิสิกส์นิวเคลียร์" (ELI-NP) ในปี 2019 จุดสูงสุด พลังงานเลเซอร์ที่เพิ่มขึ้นอย่างมากเป็นผลมาจากการเปลี่ยนแปลงในตัวกลางเกนของเลเซอร์ที่มีรูรับแสงขนาดใหญ่ (จากกระจกที่เจือด้วยนีโอไดเมียมไปจนถึงไทเทเนียม:คริสตัลแซฟไฟร์) การเปลี่ยนแปลงนี้ลดระยะเวลาการเต้นของชีพจรของเลเซอร์พลังงานสูงจากประมาณ 500 femtoseconds (fs) เหลือประมาณ 25 fs
อย่างไรก็ตาม เลเซอร์แบบสั้นเกินขีดที่มีความเข้มข้นสูงเป็นพิเศษของไททาเนียมแซฟไฟร์ดูเหมือนจะเพิ่มขึ้นถึงขีดจำกัดบนที่ 10 วัตต์ ในปัจจุบัน สำหรับแผนการพัฒนาขนาด 10 วัตต์ถึง 100 วัตต์ โดยทั่วไปนักวิจัยไม่ค่อยมีความหวังเกี่ยวกับเทคโนโลยีการขยายสัญญาณพัลส์แซฟไฟร์ไททาเนียม และมุ่งเป้าไปที่เทคโนโลยีการขยายสัญญาณพัลส์แบบพารามิเตอร์ออปติคัลที่อิงจากโพแทสเซียมดิวเทอเรตแทน ไดไฮโดรเจนฟอสเฟตผลึกไม่เชิงเส้น
อย่างไรก็ตาม แม้ว่าอย่างหลังจะมีโอกาสในการใช้งานที่ดี แต่ประสิทธิภาพในการแปลงสัญญาณปั๊มที่ต่ำ และการขาดความเสถียรของพลังงานสเปกตรัมและพลังงานชั่วคราว นำมาซึ่งความท้าทายที่ยิ่งใหญ่ในการรับรู้และการประยุกต์ใช้เลเซอร์บีทวัตต์ 10-100 ในอนาคต
ในทางกลับกัน การขยายสัญญาณพัลส์ไทเทเนียมแซฟไฟร์ซึ่งเป็นเทคโนโลยีที่สมบูรณ์ซึ่งได้สร้างเลเซอร์ขนาด 10 กิกะวัตต์ในจีนและยุโรปตามลำดับ ยังคงมีศักยภาพที่ดีในขั้นตอนต่อไปของการพัฒนาเลเซอร์ที่สั้นมากเป็นพิเศษ
ไทเทเนียม: คริสตัลแซฟไฟร์เป็นสื่อกลางที่ได้รับเลเซอร์บรอดแบนด์ระดับพลังงาน ในระหว่างกระบวนการรับ พัลส์ของปั๊มจะถูกดูดซับ และระดับพลังงานจะผกผันระหว่างระดับพลังงานบนและล่างเพื่อกักเก็บพลังงาน ในขณะที่สัญญาณพัลส์เคลื่อนผ่านคริสตัลแซฟไฟร์ไททาเนียมหลายครั้ง พลังงานที่เก็บไว้จะถูกดึงออกมาเพื่อขยายสัญญาณเลเซอร์ อย่างไรก็ตาม ในเลเซอร์ปรสิตตามขวาง สัญญาณรบกวนที่เกิดขึ้นเองจะถูกขยายตามเส้นผ่านศูนย์กลางของคริสตัล ใช้พลังงานที่เก็บไว้และลดการขยายสัญญาณด้วยเลเซอร์
Parasitic Lasing คือการทำงานของเลเซอร์ที่ไม่พึงประสงค์ชนิดหนึ่งที่เกิดขึ้นในอุปกรณ์เลเซอร์หรือเครื่องขยายเสียง ปรากฏการณ์นี้มักเกิดจากการก่อตัวช่องเลเซอร์โดยไม่ได้ตั้งใจในบางส่วนของภายในอุปกรณ์ ทำให้เลเซอร์สั่นที่ความถี่หรือโหมดที่ไม่ต้องการ การปรากฏตัวของเลเซอร์ปรสิตมีแนวโน้มที่จะยับยั้งการทำงานของเลเซอร์ที่ต้องการในอุปกรณ์ ทำให้ประสิทธิภาพของอุปกรณ์ลดลง และอาจถึงขั้นสร้างความเสียหายให้กับอุปกรณ์ได้
ในปัจจุบัน ค่ารูรับแสงสูงสุดของคริสตัลแซฟไฟร์ไทเทเนียมสามารถรองรับเลเซอร์ขนาด 10 บีทวัตต์เท่านั้น แม้ว่าจะมีคริสตัลแซฟไฟร์ไททาเนียมขนาดใหญ่ขึ้น การขยายด้วยเลเซอร์ยังคงเป็นไปไม่ได้ เนื่องจากการกำจัดปรสิตตามขวางที่แข็งแกร่งจะเติบโตแบบทวีคูณเมื่อขนาดคริสตัลแซฟไฟร์ไทเทเนียมเพิ่มขึ้น
กุญแจสู่ความก้าวหน้าคืออะไร?
เพื่อจัดการกับความท้าทายนี้ นักวิจัยได้ใช้แนวทางที่เป็นนวัตกรรมโดยการวางคริสตัลแซฟไฟร์ไททาเนียมหลายตัวเข้าด้วยกัน
จากข้อมูลของ Advanced Photonics Nexus วิธีการดังกล่าวทะลุขีดจำกัด 10-แตะ-วัตต์ของเลเซอร์ไททาเนียมแซฟไฟร์ที่มีความเข้มข้นสูงเป็นพิเศษในปัจจุบัน โดยการเพิ่มเส้นผ่านศูนย์กลางรูรับแสงของคริสตัลที่ปูกระเบื้องแซฟไฟร์ไทเทเนียมทั้งหมดอย่างมีประสิทธิภาพ และตัดทอนการไล่ปรสิตตามขวางภายในแต่ละส่วน ปูกระเบื้องคริสตัล
Yuxin Leng ผู้เขียนบทความที่เกี่ยวข้องและนักวิจัยจากสถาบันทัศนศาสตร์และเครื่องจักรความแม่นยำแห่งเซี่ยงไฮ้ กล่าวว่า "เราได้ประสบความสำเร็จในการสาธิตการขยายกระเบื้องไทเทเนียม:แซฟไฟร์เลเซอร์ในขนาด 100 เทราวัตต์ (เช่น 0.1 ระบบเลเซอร์บีต-วัตต์) เราใช้เทคนิคนี้เพื่อให้บรรลุการขยายเลเซอร์ที่ใกล้เคียงอุดมคติ รวมถึงประสิทธิภาพการแปลงสูง พลังงานที่เสถียร สเปกตรัมบรอดแบนด์ พัลส์สั้น และจุดโฟกัสขนาดเล็ก"
ทีมงานของเขารายงานว่าการขยายด้วยเลเซอร์ไททาเนียม:แซฟไฟร์ที่เรียงต่อกันเป็นวิธีการที่ค่อนข้างง่ายและราคาไม่แพงในการเกินขีดจำกัดปัจจุบันที่ 10 kWh วิธีนี้คาดว่าจะปรับปรุงความสามารถในการทดลองของเลเซอร์สั้นพิเศษที่มีความเข้มข้นสูงเป็นพิเศษในฟิสิกส์เลเซอร์ที่มีสนามแรง
"ด้วยการเพิ่มเครื่องขยายสัญญาณเลเซอร์พลังงานสูงไทเทเนียม: แซฟไฟร์แบบเรียงต่อกันขนาด 2 × 2 ให้กับโรงงานเลเซอร์ระยะสั้นพิเศษที่มีความเข้มสูงเป็นพิเศษของเซี่ยงไฮ้ (SULF) หรือโรงงานฟิสิกส์นิวเคลียร์ฟิสิกส์นิวเคลียร์ (ELI-NP) ของโครงสร้างพื้นฐานแสงที่รุนแรงของสหภาพยุโรป (ELI-NP) สามารถเพิ่มได้อีกจาก 10 บีทวัตต์ในปัจจุบันเป็น 40 บีทวัตต์ และความเข้มข้นสูงสุดที่โฟกัสอาจเพิ่มขึ้นเกือบ 10 เท่าหรือมากกว่านั้น"