Os lasers ultracurtos ultraintensos têm um amplo escopo de aplicações, abrangendo física básica, segurança nacional, serviços industriais e cuidados de saúde. Na física básica, esses lasers se tornaram uma ferramenta poderosa para pesquisar a física do laser de campo forte, especialmente para fontes de radiação acionadas por laser, aceleração de partículas de laser, eletrodinâmica quântica de vácuo e muito mais.



Um aumento dramático na potência de pico do laser, desde a "Nova" de 1 petawatt de 1996 até a "Instalação de Laser Ultrarrápido Superintenso de Xangai" (SULF) de 10 petawatts de 2017 e a "Infraestrutura de Luz Extrema - Física Nuclear" de 10 petawatts de 2019 ( ELI-NP), é devido a uma mudança no meio de ganho para lasers de grande abertura (de vidro dopado com neodímio para titânio:cristal de safira). Essa mudança reduziu a duração do pulso dos lasers de alta energia de cerca de 500 femtossegundos (fs) para cerca de 25 fs.

No entanto, o limite superior para lasers ultracurtos ultraintensos de titânio:safira parece ser de 10 petawatts. Atualmente, para o planejamento de desenvolvimento de 10 petawatts a 100 petawatts, os pesquisadores geralmente abandonam a tecnologia de amplificação de pulso de titânio:safira e recorrem à tecnologia de amplificação de pulso de chilreado paramétrico óptico, baseada em cristais não lineares de dihidrogenofosfato de potássio deuterado. Essa tecnologia, devido à sua baixa eficiência de conversão de bomba em sinal e baixa estabilidade de energia espectral espaço-temporal, representará um grande desafio para a realização e aplicação dos futuros lasers de 10 a 100 petawatts.

Por outro lado, a tecnologia de amplificação de pulso de titânio:safira, como uma tecnologia madura que realizou com sucesso dois lasers de 10 petawatts na China e na Europa, ainda tem grande potencial para o próximo estágio de desenvolvimento de lasers ultracurtos ultraintensos.

Titânio:o cristal de safira é um meio de ganho de laser de banda larga do tipo nível de energia. O pulso da bomba é absorvido para criar uma inversão populacional entre os níveis de energia superior e inferior, o que completa o armazenamento de energia. Quando o pulso do sinal passa várias vezes pelo cristal de titânio:safira, a energia armazenada é extraída para amplificação do sinal do laser. Porém, no laser parasita transversal, um ruído de emissão espontânea amplificado ao longo do diâmetro do cristal consome a energia armazenada e reduz a amplificação do sinal do laser.

Atualmente, a abertura máxima dos cristais de titânio:safira só pode suportar lasers de 10 petawatts. Mesmo com cristais maiores de titânio:safira, a amplificação do laser ainda não é possível porque o forte laser parasita transversal aumenta exponencialmente à medida que o tamanho dos cristais de titânio:safira aumenta.

Em resposta a este desafio, os pesquisadores adotaram uma abordagem inovadora que envolve unir de forma coerente vários cristais de titânio:safira. Conforme relatado em Advanced Photonics Nexus , este método rompe o limite atual de 10 petawatts nos lasers ultracurtos ultraintensos de titânio:safira, aumentando efetivamente o diâmetro de abertura de todo o cristal de titânio:safira lado a lado e também truncando o laser parasita transversal dentro de cada cristal de lado a lado.

O autor correspondente, Yuxin Leng, do Instituto de Óptica e Mecânica Fina de Xangai, observa:"A amplificação do laser de titânio:safira foi demonstrada com sucesso em nosso sistema de laser de 100 terawatts (ou seja, 0,1 petawatt). Alcançamos uma amplificação de laser quase ideal usando este tecnologia, incluindo alta eficiência de conversão, energias estáveis, espectros de banda larga, pulsos curtos e pequenos pontos focais."

A equipe de Leng relata que a amplificação do laser de titânio:safira em ladrilhos coerentes fornece uma maneira relativamente fácil e barata de ultrapassar o limite atual de 10 petawatts.

"Ao adicionar um amplificador de laser de alta energia de titânio:safira 2 × 2 coerentemente lado a lado no SULF da China ou no ELI-NP da UE, os atuais 10 petawatts podem ser aumentados ainda mais para 40 petawatts e a intensidade do pico focalizado pode ser aumentada em quase 10 vezes ou mais", diz Leng.

O método promete aumentar a capacidade experimental de lasers ultracurtos ultraintensos para física de laser de campo forte.

Mais informações: Yanqi Liu et al, Coherently Tiled Ti:sapphire laser amplification:a way to break the 10 petawatt limit on current ultraintens lasers, Advanced Photonics Nexus (2023). DOI:10.1117/1.APN.2.6.066009
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