Briser la limite des 10 pétawatts avec une nouvelle amplification laser

Les lasers ultra-intenses et ultra-courts ont un large éventail d'applications, englobant la physique de base, la sécurité nationale, les services industriels et les soins de santé. En physique fondamentale, ces lasers sont devenus un outil puissant pour la recherche sur la physique des lasers à champ fort, en particulier pour les sources de rayonnement laser, l'accélération des particules laser, l'électrodynamique quantique sous vide, etc.

Une augmentation spectaculaire de la puissance laser maximale, depuis le “Nova” de 1 pétawatt de 1996 jusqu'au “Installation laser ultra-intense ultrarapide de Shanghai” (SULF) de 10 pétawatts de 2017 et au “Infrastructure de lumière extrême – Physique nucléaire” de 10 pétawatts de 2019 ( ELI-NP), est dû à un déplacement du milieu de gain pour les lasers à grande ouverture (du verre dopé au néodyme au titane : verre saphir). Ce changement a réduit la durée d'impulsion des lasers à haute énergie d'environ 500 femtosecondes (fs) à environ 25 fs.

Cependant, la limite supérieure pour les lasers ultra-intenses ultra-courts titane : saphir semble être de 10 pétawatt. Actuellement, pour la planification du développement de 10 à 100 pétawatts, les chercheurs abandonnent généralement la technologie d’amplification d’impulsions à fréquence variable titane/saphir et se tournent vers la technologie d’amplification d’impulsions à fréquence variable optique paramétrique, basée sur des cristaux non linéaires de dihydrogénophosphate de potassium deutéré. Cette technologie, en raison de sa faible efficacité de conversion pompe-signal et de sa faible stabilité spatio-temporelle-spectrale-énergie, posera un grand défi pour la réalisation et l’application des futurs lasers de 10 à 100 pétawatts.

D'autre part, la technologie d'amplification d'impulsions gazouillées titane/saphir, en tant que technologie mature qui a permis de réaliser avec succès deux lasers de 10 pétawatts en Chine et en Europe, présente encore un grand potentiel pour la prochaine étape de développement de lasers ultra-courts ultra-intenses.

Titane : le verre saphir est un moyen de gain laser à large bande de type niveau d'énergie. L'impulsion de la pompe est absorbée pour créer une inversion de population entre les niveaux d'énergie supérieur et inférieur, ce qui complète le stockage d'énergie. Lorsque l’impulsion du signal traverse plusieurs fois le verre titane/saphir, l’énergie stockée est extraite pour l’amplification du signal laser. Cependant, dans le cas d'un laser parasite transversal, un bruit d'émission spontanée amplifié le long du diamètre du cristal consomme l'énergie stockée et réduit l'amplification du signal laser.

Actuellement, l’ouverture maximale des glaces titane/saphir ne peut prendre en charge que des lasers de 10 pétawatt. Même avec des glaces titane/saphir plus grandes, l’amplification laser n’est toujours pas possible car un fort effet laser parasite transversal augmente de façon exponentielle à mesure que la taille des glaces titane/saphir augmente.

En réponse à ce défi, les chercheurs ont adopté une approche innovante qui consiste à assembler de manière cohérente plusieurs cristaux de titane et de saphir. Comme indiqué dans Nexus photonique avancécette méthode dépasse la limite actuelle de 10 pétawatts sur les lasers ultra-intenses ultra-courts titane : saphir, augmentant efficacement le diamètre d'ouverture de l'ensemble du cristal titane : saphir carrelé et tronquant également l'effet laser parasite transversal dans chaque cristal de carrelage.

L'auteur correspondant Yuxin Leng de l'Institut d'optique et de mécanique fine de Shanghai note : « L'amplification laser en mosaïque de titane et de saphir a été démontrée avec succès dans notre système laser de 100 térawatts (c'est-à-dire 0,1 pétawatt). Nous avons obtenu une amplification laser presque idéale en utilisant ce système. technologie, y compris des rendements de conversion élevés, des énergies stables, des spectres à large bande, des impulsions courtes et de petits points focaux.

L'équipe de Leng rapporte que l'amplification laser titane: saphir en mosaïque cohérente constitue un moyen relativement simple et peu coûteux de dépasser la limite actuelle de 10 pétawatt.

“En ajoutant un amplificateur laser à haute énergie en titane et saphir à mosaïque cohérente 2 × 2 dans le SULF chinois ou l'ELI-NP européen, les 10 pétawatts actuels peuvent être encore augmentés à 40 pétawatts et l'intensité maximale focalisée peut être augmentée de près de 10. fois ou plus », explique Leng.

La méthode promet d’améliorer la capacité expérimentale des lasers ultra-intenses ultra-courts pour la physique des lasers à champ fort.