من المتوقع أن تعمل تقنية تضخيم ليزر الياقوت على تحسين القدرات التجريبية لأشعة الليزر فائقة القوة والقصيرة جدًا في فيزياء الليزر ذات المجال القوي. تتمتع أجهزة الليزر فائقة الشدة والقصيرة جدًا بمجموعة واسعة من التطبيقات، بما في ذلك الفيزياء الأساسية والأمن القومي والخدمات الصناعية والرعاية الصحية. في مجال الفيزياء الأساسية، أصبح هذا النوع من الليزر أداة قوية لدراسة فيزياء الليزر قوية المجال، خاصة في جوانب مثل مصادر الإشعاع التي تعتمد على الليزر، وتسريع جسيمات الليزر، والديناميكا الكهربائية الكمومية الفراغية.
طاقة الليزر وتطوير التكنولوجيا
من 1 بيتاوات "نوفا" في عام 1996 إلى 10 بيتاوات "منشأة شنغهاي لليزر فائق السرعة" (SULF) في عام 2017 و10 بيتاوات "الفيزياء النووية للبنية التحتية في أورورا" (ELI-NP) في عام 2019، ترجع الزيادة الحادة في طاقة الذروة لليزر إلى تحول وسط الكسب لأشعة الليزر ذات الفتحة الكبيرة (من "المخدر بالنيوديميوم" الزجاج" إلى "التيتانيوم: كريستال الياقوت"). يؤدي هذا التحول إلى تقصير مدة نبضة الليزر عالي الطاقة من حوالي 500 فمتوثانية (fs) إلى حوالي 25 fs.
ومع ذلك، يبدو أن الحد الأعلى للليزر فائق القوة والقصير جدًا من التيتانيوم: الياقوت هو 10 بيتاواط. حاليًا، في خطة التطوير التي تتراوح من 10 إلى 100 بيتاواط، يتخلى الباحثون عمومًا عن التيتانيوم: تكنولوجيا تضخيم النبض المغرد من الياقوت ويعتمدون بدلاً من ذلك تقنية تضخيم النبض المزقزق البصري البارامترية القائمة على بلورة غير خطية من فوسفات ثنائي هيدروجين البوتاسيوم.
ستشكل هذه التقنية تحديًا كبيرًا أمام تنفيذ وتطبيق أشعة الليزر بقدرة 10-100 بيتاواط في المستقبل نظرًا لانخفاض كفاءة تحويل المضخة إلى الإشارة وضعف استقرار الطاقة الطيفية الزمانية المكانية. من ناحية أخرى، تعد تقنية تضخيم نبضات التيتانيوم: الياقوت تقنية ناضجة، خاصة أنه تم تنفيذ اثنين من ليزرات 10 بيتاوات بنجاح في الصين وأوروبا، ولا تزال لديها إمكانات كبيرة في المرحلة التالية من تطوير ليزر فائق القوة وفائق القصر.
التيتانيوم: التحديات التي تواجه بلورات الياقوت
التيتانيوم: كريستال الياقوت هو وسيلة كسب ليزر ذات نطاق عريض لمستوى الطاقة. بعد امتصاص نبض المضخة، يتشكل انعكاس سكاني بين مستوى الطاقة العلوي ومستوى الطاقة الأدنى، وبالتالي استكمال تخزين الطاقة. عندما تمر نبضة الإشارة عبر التيتانيوم: كريستال الياقوت عدة مرات، يتم استخراج الطاقة المخزنة واستخدامها لتضخيم إشارة الليزر. ومع ذلك، في الليزر الطفيلي المستعرض، يتم تضخيم ضوضاء الانبعاث التلقائي على طول اتجاه قطر البلورة، مما يستهلك الطاقة المخزنة ويقلل معدل تضخيم إشارة الليزر.
حاليًا، الحد الأقصى للفتحة من التيتانيوم: يمكن لبلورات الياقوت أن تدعم فقط 10 بيتاواط من الليزر. لا يزال تضخيم الليزر غير ممكن حتى مع بلورات التيتانيوم: الياقوت الأكبر حجمًا لأن الليزر الطفيلي الجانبي المكثف يزداد بشكل كبير مع زيادة حجم التيتانيوم: بلورات الياقوت.
الحلول المبتكرة والإمكانات المستقبلية
ولمواجهة هذا التحدي، اتخذ الباحثون نهجًا مبتكرًا من خلال ربط عدة بلورات من التيتانيوم: الياقوت معًا بشكل متماسك. وفقًا لتقرير في مجلة "Advanced Photonics Nexus" في 23 ديسمبر 2023، تخترق هذه الطريقة الحد الحالي البالغ 10 بيتاوات من التيتانيوم: ليزر الياقوت فائق القوة والقصير جدًا، وتزيد بشكل فعال فتحة التيتانيوم المبلط بالكامل: كريستال الياقوت، وتقطع أيضًا ضوء الليزر الطفيلي الجانبي داخل كل بلورة مبلطة.
أشار المؤلف المراسل Leng Yuxin من معهد شنغهاي للبصريات والميكانيكا الدقيقة: "في نظام الليزر 100 تيراواط (أي 0.1 بيتاوات)، نجحنا في عرض التيتانيوم المبلط: تضخيم ليزر الياقوت. استخدمنا هذه التكنولوجيا لتحقيق تأثيرات تضخيم الليزر شبه المثالية، بما في ذلك كفاءة التحويل العالية والطاقة المستقرة وطيف النطاق العريض والنبضات القصيرة والبقع البؤرية الصغيرة."
أفاد الفريق أن تقنية التضخيم المتماسكة المصنوعة من التيتانيوم: ليزر الياقوت توفر طريقة بسيطة وغير مكلفة نسبيًا لتجاوز الحد الحالي البالغ 10 بيتاواط. "من خلال إضافة تيتانيوم متماسك 2 × 2: مضخم ليزر عالي الطاقة من الياقوت إلى SULF الصيني أو ELI-NP في الاتحاد الأوروبي، يمكن زيادة 10 بيتاواط الحالية إلى 40 بيتاواط، ويمكن زيادة شدة ذروة التركيز بما يقرب من 10 مرات أو أكثر." قال.
من المتوقع أن تعمل هذه الطريقة على تحسين القدرات التجريبية لأشعة الليزر فائقة الكثافة والقصيرة جدًا في فيزياء الليزر قوية المجال.
المصدر المجمع: ScitechDaily