사파이어 레이저 증폭 기술은 강장 레이저 물리학에서 초강력, 초단 레이저의 실험 능력을 향상시킬 것으로 기대된다. 초강력 및 초단거리 레이저는 기초 물리학, 국가 안보, 산업 서비스 및 의료를 포함한 광범위한 응용 분야를 가지고 있습니다. 기초 물리학 분야에서 이러한 유형의 레이저는 특히 레이저 구동 방사원, 레이저 입자 가속 및 진공 양자 전기 역학과 같은 측면에서 강력장 레이저 물리학을 연구하기 위한 강력한 도구가 되었습니다.

레이저 파워 및 기술 개발

1996년 1페타와트 "Nova"에서 2017년 10페타와트 "상하이 초고속 레이저 시설"(SULF), 2019년 10페타와트 "오로라 기반 핵물리학"(ELI-NP)으로 레이저 피크 출력이 급격히 증가한 것은 대구경 레이저의 이득 매질("네오디뮴 첨가 유리"에서 "티타늄: 사파이어 크리스탈"). 이러한 변화는 고에너지 레이저의 펄스 지속 시간을 약 500fs에서 약 25fs로 단축합니다.

하지만 티타늄:사파이어 초강력 초단거리 레이저의 상한은 10페타와트인 것으로 보인다. 현재 10~100페타와트 개발 계획에서 연구자들은 일반적으로 티타늄:사파이어 처프 펄스 증폭 기술을 포기하고 대신 중수소화 인산이수소칼륨 비선형 결정을 기반으로 하는 광학 매개변수 처프 펄스 증폭 기술을 채택합니다.

이 기술은 펌프-신호 변환 효율이 낮고 시공간-스펙트럼-에너지 안정성이 좋지 않아 향후 10-100Petawatt 레이저의 구현 및 적용에 큰 과제를 제기할 것입니다. 반면, 티타늄:사파이어 처프 펄스 증폭 기술은 성숙한 기술입니다. 특히 2개의 10Petawatt 레이저가 중국과 유럽에서 성공적으로 구현되었으며 초강력 및 초단거리 레이저 개발의 다음 단계에서 여전히 큰 잠재력을 가지고 있습니다.

티타늄: 사파이어 크리스탈의 과제

티타늄: 사파이어 크리스탈은 에너지 수준의 광대역 레이저 이득 매체입니다. 펌프 펄스가 흡수된 후 상위 에너지 준위와 하위 에너지 준위 사이에 인구 반전이 형성되어 에너지 저장이 완료됩니다. 신호 펄스가 티타늄:사파이어 크리스탈을 여러 번 통과하면 저장된 에너지가 추출되어 레이저 신호 증폭에 사용됩니다. 그러나 가로 기생 레이저에서는 결정 직경 방향을 따른 자연 방출 노이즈가 증폭되어 저장된 에너지를 소비하고 레이저 신호의 증폭 속도가 감소합니다.

현재 티타늄:사파이어 크리스털의 최대 조리개는 10Petawatt 레이저만 지원할 수 있습니다. 티타늄:사파이어 크리스탈의 크기가 증가함에 따라 강렬한 측면 기생 레이저 발생이 기하급수적으로 증가하기 때문에 더 큰 티타늄:사파이어 크리스탈을 사용해도 레이저 증폭은 여전히 ​​불가능합니다.

혁신적인 솔루션과 미래 잠재력

이 문제를 해결하기 위해 연구원들은 여러 개의 티타늄:사파이어 결정을 일관되게 타일링하여 혁신적인 접근 방식을 취했습니다. 2023년 12월 23일자 "Advanced Photonics Nexus" 매거진의 보고서에 따르면, 이 방법은 티타늄의 현재 한계인 10페타와트(사파이어 초강력 및 초단거리 레이저)를 돌파하고 전체 타일 티타늄(사파이어 크리스탈)의 조리개를 효과적으로 늘리며 각 타일 크리스탈 내의 측면 기생 레이저 광을 차단합니다.

교신저자인 Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics의 Leng Yuxin은 다음과 같이 지적했습니다. "100테라와트(즉, 0.1페타와트) 레이저 시스템에서 우리는 타일형 티타늄: 사파이어 레이저 증폭을 성공적으로 시연했습니다. 우리는 이 기술을 사용하여 높은 변환 효율, 안정적인 에너지, 광대역 스펙트럼, 짧은 펄스 및 작은 초점을 포함하여 거의 이상적인 레이저 증폭 효과를 달성했습니다."

팀은 응집성 타일 티타늄:사파이어 레이저 증폭 기술이 현재 한계인 10페타와트를 초과할 수 있는 상대적으로 간단하고 저렴한 방법을 제공한다고 보고합니다. "2×2 응집 타일형 티타늄: 사파이어 고에너지 레이저 증폭기를 중국의 SULF 또는 EU의 ELI-NP에 추가하면 현재 10페타와트를 40페타와트로 더 늘릴 수 있으며 초점 피크 강도는 거의 10배 이상 증가할 수 있습니다." 그는 말했다.

이 방법은 강장 레이저 물리학에서 초강력 및 초단 레이저의 실험 능력을 향상시킬 것으로 기대됩니다.

컴파일된 소스: ScitechDaily