La technologie d’amplification laser saphir devrait améliorer les capacités expérimentales des lasers ultra-puissants et ultra-courts dans la physique des lasers à champ fort. Les lasers ultra-intenses et ultra-courts ont un large éventail d'applications, notamment la physique fondamentale, la sécurité nationale, les services industriels et la santé. Dans le domaine de la physique fondamentale, ce type de laser est devenu un outil puissant pour étudier la physique des lasers à champ fort, en particulier dans des aspects tels que les sources de rayonnement laser, l'accélération des particules laser et l'électrodynamique quantique sous vide.

Puissance laser et développement technologique

De 1 Petawatt « Nova » en 1996 à 10 Petawatt « Shanghai Ultrafast Laser Facility » (SULF) en 2017 et 10 Petawatt « Aurora Infrastructure-Nuclear Physics » (ELI-NP) en 2019, la forte augmentation de la puissance crête du laser est due à la transformation du milieu de gain des lasers à grande ouverture (du « Verre dopé au Néodyme » au « Titane : glace saphir"). Ce décalage réduit la durée d'impulsion des lasers à haute énergie d'environ 500 femtosecondes (fs) à environ 25 fs.

Cependant, la limite supérieure du laser titane: saphir ultra-puissant et ultra-court semble être de 10 pétawatt. Actuellement, dans le plan de développement de 10 à 100 pétawatts, les chercheurs abandonnent généralement la technologie d'amplification d'impulsions à gazouillis titane : saphir et adoptent à la place une technologie d'amplification d'impulsions à gazouillis paramétrique optique basée sur un cristal non linéaire de phosphate de dihydrogène de potassium deutéré.

Cette technologie posera un énorme défi pour la mise en œuvre et l’application de lasers de 10 à 100 pétawatts à l’avenir en raison de sa faible efficacité de conversion pompe-signal et de sa mauvaise stabilité spatio-temporelle-spectrale-énergie. D'un autre côté, la technologie d'amplification d'impulsions gazouillées en titane et saphir est une technologie mature, en particulier deux lasers de 10 pétawatts ont été mis en œuvre avec succès en Chine et en Europe, et elle a encore un grand potentiel dans la prochaine étape du développement de lasers ultra-puissants et ultra-courts.

Titane : les défis pour les glaces saphir

Titane : le verre saphir est un moyen de gain laser à large bande de niveau énergétique. Une fois l'impulsion de pompe absorbée, une inversion de population se forme entre le niveau d'énergie supérieur et le niveau d'énergie inférieur, complétant ainsi le stockage d'énergie. Lorsque l'impulsion du signal traverse le verre titane/saphir plusieurs fois, l'énergie stockée est extraite et utilisée pour l'amplification du signal laser. Cependant, dans les lasers parasites transversaux, le bruit d'émission spontanée dans la direction du diamètre du cristal est amplifié, consommant l'énergie stockée et réduisant le taux d'amplification du signal laser.

Actuellement, l’ouverture maximale des glaces titane/saphir ne peut prendre en charge que des lasers de 10 pétawatts. L'amplification laser n'est toujours pas possible, même avec des glaces titane/saphir plus grandes, car l'intensité laser parasite latérale intense augmente de façon exponentielle à mesure que la taille de la glace titane/saphir augmente.

Solutions innovantes et potentiel d’avenir

Pour relever ce défi, les chercheurs ont adopté une approche innovante en associant de manière cohérente plusieurs cristaux de titane et de saphir. Selon un rapport du magazine "Advanced Photonics Nexus" du 23 décembre 2023, cette méthode dépasse la limite actuelle de 10 pétawatts de titane : lasers saphir ultra-puissants et ultra-courts, augmente efficacement l'ouverture de l'ensemble du titane carrelé : verre saphir, et coupe également la lumière laser parasite latérale à l'intérieur de chaque cristal carrelé.

L'auteur correspondant Leng Yuxin de l'Institut d'optique et de mécanique fine de Shanghai a souligné : « Dans notre système laser de 100 térawatts (soit 0,1 pétawatt), nous avons démontré avec succès l'amplification laser en mosaïque de titane : saphir. Nous avons utilisé cette technologie pour obtenir des effets d'amplification laser presque idéaux, notamment une efficacité de conversion élevée, une énergie stable, un spectre à large bande, des impulsions courtes et de petits points focaux.

L’équipe rapporte que la technologie d’amplification laser cohérente en titane et saphir offre un moyen relativement simple et peu coûteux de dépasser la limite actuelle de 10 pétawatts. "En ajoutant un amplificateur laser à haute énergie en titane et saphir cohérent 2 × 2 au SULF de Chine ou à l'ELI-NP de l'UE, les 10 pétawatts actuels peuvent être encore augmentés à 40 pétawatts, et l'intensité maximale de focalisation peut être augmentée de près de 10 fois, voire plus. " dit-il.

Cette méthode devrait améliorer les capacités expérimentales des lasers ultra-intenses et ultra-courts en physique des lasers à champ fort.

Source compilée : ScitechDaily