Нов лазер от титаниев сапфир преодолява границата на мощността на излъчването

Лазерите със свръхкъси импулси имат широк спектър от практически приложения – от промишлеността до медицината. В приложната физика без тях е невъзможно да се изследват ускоряването на елементарните частици, квантовата електродинамика и много други. Бързият напредък в технологиите даде възможност да се повиши пиковата мощност на лазера до 10 PW, но тази горна граница за титано-сапфировите лазери се считаше за непреодолима, докато екип от учени от Шанхай (Китай) не направи сериозен пробив.

През последните 30 години се наблюдава драматичен скок в мощността на лазерите. Още през 1996 г. лазерът Nova в Националната лаборатория Ливърмор (САЩ) бе първият в света, който достигна петаватна мощност, а през 2017 г. шанхайският SURF вече достигна 10 PW. Този напредък стана възможен благодарение на смяната на активната среда от неодимово стъкло на титаново-сапфирен кристал. Това направи възможно намаляването на продължителността на импулса от 500 фемтосекунди на 25 fs.

Горната граница на титаниево-сапфировия лазер с ултракъси импулси обаче е 10 PW. Днес, ако е необходимо тя да бъде надхвърлена, изследователите обикновено се ориентират към друга технология, базирана на нелинейни кристали, която обаче има редица недостатъци, каквито титано-сапфировите кристали нямат, съобщава Phys.org.

Активната среда на титан-сапфировия лазер се състои от монолитен сапфиров кристал с титанови йони. Импулсът на напомпването предизвиква инверсия на популацията между горните и долните енергийни нива, като съхранява енергия. Когато сигналът премине няколко пъти през кристала, тази складирана в него енергия го усилва. Но смущенията в спонтанната емисия поглъщат съхранената енергия и намаляват ефекта на усилване на лазерния сигнал. Увеличаването на размера на кристала не помага, тъй като смущенията също се увеличават, при това експоненциално.

Физици от Шанхайския институт по оптика и прецизна механика са предложили иновативен подход за подреждане във вид на плочки на множество кристали от титанов сапфир. Новият метод преодолява бариерата от 10 PW, като увеличава диаметъра на апертурата на целия кристал и намалява интерференцията. По този начин мощността на импулсите нараства до 40 PW, а максималният фокусен интензитет може да се увеличи 10 и дори повече пъти. В същото време методът е сравнително евтин и прост.

„Титаново-сапфиреното лазерно усилване беше успешно демонстрирано в нашата 100-тераватна лазерна система“, казва Ленг Юсин, един от изследователите. – „Постигнахме почти перфектно лазерно усилване с тази технология, включително висока ефективност на преобразуването, енергийна стабилност, широколентови спектри, къси импулси и малки фокални петна.

Миналата есен в Националната лаборатория за ускорители SLAC към Министерството на енергетиката на САЩ беше тестван най-мощният рентгенов лазер в света. Кохерентният източник на светлина Linac II (LCLS-II) – рентгенов лазер на свободни електрони (XFEL) – генерира един милион импулса в минута и е 10 000 пъти по-ярък от своя предшественик.