サファイアレーザー増幅技術は、強磁場レーザー物理学における超強力および超短レーザーの実験能力を向上させることが期待されています。超高強度および超短レーザーは、基礎物理学、国家安全保障、産業サービス、ヘルスケアなど、幅広い用途に使用できます。基礎物理学の分野では、このタイプのレーザーは、特にレーザー駆動放射線源、レーザー粒子加速、真空量子電気力学などの側面において、強磁場レーザー物理学を研究するための強力なツールとなっています。
レーザー出力と技術開発
1996 年の 1 ペタワット「ノバ」から、2017 年の 10 ペタワット「上海超高速レーザー施設」(SULF)、2019 年の 10 ペタワット「オーロラ インフラストラクチャ核物理学」(ELI-NP) まで、レーザー ピーク パワーの急激な増加は、大口径レーザーの利得媒質の変化 (「ネオジムドープ ガラス」から「チタン：サファイアクリスタル」）。このシフトにより、高エネルギーレーザーのパルス持続時間が約 500 フェムト秒 (fs) から約 25 fs に短縮されます。
ただし、チタン:サファイアの超強力超短レーザーの上限は10ペタワットのようです。現在、10～100ペタワットの開発計画において、研究者は一般的にチタン：サファイアチャープパルス増幅技術を放棄し、代わりに重水素化リン酸二水素カリウム非線形結晶に基づく光パラメトリックチャープパルス増幅技術を採用しています。
この技術は、ポンプから信号への変換効率が低く、時空間スペクトルエネルギーの安定性が低いため、将来の 10 ～ 100 ペタワットのレーザーの実装と応用に大きな課題をもたらすでしょう。一方、チタン:サファイアチャープパルス増幅技術は成熟した技術であり、特に2つの10ペタワットレーザーが中国とヨーロッパで実用化に成功しており、超強力かつ超短レーザーの開発の次の段階において依然として大きな可能性を秘めています。
チタン: サファイア結晶の課題
チタン: サファイアクリスタルは、エネルギーレベルの広帯域レーザー利得媒体です。ポンプパルスが吸収された後、上位エネルギー準位と下位エネルギー準位との間に反転分布が形成され、エネルギー蓄積が完了する。信号パルスがチタン:サファイア結晶を複数回通過すると、蓄積されたエネルギーが抽出され、レーザー信号の増幅に使用されます。しかし、横寄生レーザでは結晶径方向の自然放出ノイズが増幅され、蓄積エネルギーが消費され、レーザ信号の増幅率が低下します。
現在、チタン:サファイア結晶の最大口径は 10 ペタワットのレーザーのみをサポートできます。チタン:サファイア結晶のサイズが大きくなるにつれて、強力な横方向寄生レージングが指数関数的に増加するため、より大きなチタン:サファイア結晶でもレーザー増幅は依然として不可能です。
革新的なソリューションと将来性
この課題に対処するために、研究者らは、複数のチタン:サファイア結晶を一貫してタイル状に貼り合わせるという革新的なアプローチを採用しました。 2023年12月23日の「Advanced Photonics Nexus」誌のレポートによると、この方法は、チタン:サファイアの超強力かつ超短レーザーの10ペタワットという現在の制限を突破し、タイル状のチタン:サファイア結晶全体の開口を効果的に増加させ、また、各タイル状結晶内の横方向の寄生レーザー光を遮断します。
上海光学精密機械研究所の特派員Leng Yuxin氏は、「当社の100テラワット（すなわち0.1ペタワット）レーザーシステムでは、タイル状チタン：サファイアレーザー増幅の実証に成功した。私たちはこの技術を使用して、高い変換効率、安定したエネルギー、広帯域スペクトル、短パルス、小さな焦点スポットなど、理想に近いレーザー増幅効果を達成した。」と指摘した。
研究チームは、コヒーレントタイル状チタン:サファイアレーザー増幅技術が、現在の制限である10ペタワットを超える比較的簡単で安価な方法を提供すると報告している。 「中国のSULFまたはEUのELI-NPに2×2のコヒーレントタイル状チタン:サファイア高エネルギーレーザー増幅器を追加することにより、現在の10ペタワットをさらに40ペタワットに増加させることができ、焦点ピーク強度をほぼ10倍、あるいはそれ以上に増加させることができます。」彼は言いました。
この方法は、強磁場レーザー物理学における超高強度および超短レーザーの実験能力を向上させることが期待されています。
コンパイルされたソース: ScitechDaily