Представлена ​​новая технология сжатия сверхмощных лазерных импульсов

Резюме

Мы предлагаем новый метод сжатия лазерных импульсов до сверхмощностей, основанный на переменной пространственной дисперсии гетерогенной плазмы. Здесь сжатие достигается за счет отражения длинного лазерного импульса отрицательной частоты от градиента плотности высокоплотной плазменной пластины. По мере увеличения интенсивности в продольном направлении высокочастотные фотоны основной части лазерного импульса проникают в область плазмы глубже, чем низкочастотные фотоны, что приводит к сжатию импульса аналогично тому, как это происходит с помощью пип-зеркала. Моделирование, подтверждающее принцип работы, выполненное с использованием кодов моделирования внутриклеточных частиц, предсказывает, что лазерный импульс длительностью 2,35 пс будет сжат до 10,3 фс-а на 225 раз. Поскольку плазма устойчива и устойчива к повреждениям при высоких интенсивностях, в отличие от обычных твердотельных сетей, этот метод используется для усиления импульсов Chirps, может использоваться в качестве компрессора для достижения пиковой мощности 1000 Вт или 800 Вт.

Команда международных исследователей добилась значительного прогресса в лазерных технологиях, открыв новый способ сжатия лазерных импульсов до сверхмощных свойств. Новаторское исследование, проведенное профессором Мин Суб Хором с факультета физики UNIST, профессором Хён Соком из GIST и профессором Дино А. Ярошинский из Университета Стратклайда, Великобритания, разработал новый подход, основанный на пространственно-переменной дисперсии гетерогенной плазмы.

Традиционно сжатие лазерного импульса основано на твердотельных решетках или киральных зеркалах. Однако эта инновационная технология использует наклон плотности плазменного слоя высокой плотности для достижения сжатия импульса. По мере увеличения плотности плазмы в продольном направлении фотоны различных частот внутри лазерного импульса проникают в область плазмы на разную глубину. Такое избирательное проникновение приводит к сжатию импульса, подобно механизму чирпирующего зеркала.

Команда выполнила моделирование принципа действия с использованием кодов моделирования частиц в ячейках, которые показали сжатие лазерного импульса длительностью 2,35 пс с удивительно короткой длительностью 10,3 фс. Степень сжатия 225 открывает новые возможности для достижения пиковой мощности 100 Вт или зеттаватт, поскольку плазма более надежна и устойчива к повреждениям при высоких интенсивностях, чем традиционные твердотельные сети.

«Это исследование предлагает способ преодолеть ограничения предыдущих методов лазерного сжатия и имеет далеко идущие последствия в различных областях, включая промышленные и энергетические исследования, полупроводниковую литографию, лазерный синтез и передовую астрофизику», — подчеркнул профессор. Мин Суб Хор из UNIST.

Метод усиления чирп-импульсов (CPA), лауреат Нобелевской премии по физике 2018 года, произвел революцию в лазерных технологиях и расширил возможности их применения во многих областях. Однако научное сообщество активно ищет способы достижения более высокой интенсивности лазера. Недавно предложенный подход с использованием гетерогенной плазмы представляет собой важный шаг на пути удовлетворения этого спроса.

Плазма, газообразное состояние, разделенное на электроны и ионы при высоких температурах, предлагает уникальное преимущество перед традиционными дифракционными зеркалами. В отличие от зеркал, плазма не подвержена повреждениям, что делает ее отличным материалом для сжатия лазерных импульсов. Используя это свойство, исследовательская группа предполагает использовать плазму для генерации лазерных лучей с интенсивностью, превышающей равные уровни.

«Плазма может выступать в качестве высокоэффективной альтернативы обычным дифракционным зеркалам, чтобы компенсировать ограничения современной технологии CPA», — объяснил профессор Хён Сок из GIST. «Используя всего несколько сантиметров плазмы, мы можем производить лазеры сверхвысокой энергии, превышающие экзопорог».

Значение этого достижения выходит за рамки лазерных технологий. Лазеры сверхвысокой энергии стали жизненно важными инструментами для исследования фундаментальных вопросов о пространстве, материи и свойствах пространства-времени, объясняет профессор Дино А. Ярушинский из Университета Стратклайда.

Результаты исследования были опубликованы 13 ноября в престижном научном журнале Nature Photonics. Исследование получило поддержку Министерства науки и ИКТ/Корейского исследовательского фонда, Проекта поддержки развития промышленных инновационных талантов Высшей школы полупроводников UNIST и Комитета научных и инженерных исследований UKRI/Великобритании.

Это новаторское исследование прокладывает путь к новой эре лазеров сверхвысокой энергии, предлагая беспрецедентные возможности для научных исследований, энергетических исследований и промышленного применения. Выводы команды обещают ускорить прогресс в теоретической физике и астрофизике, а также послужат краеугольным камнем в поисках решения насущных энергетических проблем человечества.

Ссылка на журнал

Мин Суп Хур, Бернхард Эрсфельд, Хёджон Ли и др., «Сжатие лазерного импульса плазмой с градиентом плотности от х-ваттного до z-ваттного лазера», Nat. Фотон., (2023).