Лазерный мир

Физики из Великобритании, Южной Кореи, Франции и США разработали лазерный усилитель с рекордно большим коэффициентом усиления — он позволяет увеличивать энергию лазерного импульса в сто миллионов раз. В основе прибора — эффект рамановского усиления в плазме, источником энергии для усиления выступает петаваттный лазер, один из мощнейших в мире. Помимо возможности усиления пикоджоулевых импульсов (пикоджоуль — 10-12 джоуля) до 100 миллиджоулей (10-1 джоуля), новая техника обладает высокой эффективностью — порядка 10 процентов. Исследование опубликовано в журнале Scientific Reports, кратко о нем сообщает пресс-релиз Университета Стратклайда.

Research develops world’s highest gain high-power laser amplifier

The world’s highest gain high power laser amplifier — by many orders of magnitude — has been developed in research led at the University of Strathclyde.

The researchers demonstrated the feasibility of using plasma to amplify short laser pulses of picojoule-level energy up to 100 millijoules, which is a ‘gain’ or amplification of more than eight orders of magnitude — which could be likened to amplifying the sound of rustling leaves to that of a jumbo jet — in only two mm of plasma.
They used 150 J pulses from the powerful Vulcan laser system at the Science and Technology Facilities Council’s Central Laser Facility (CLF). Over the course of two pioneering experiments at the CLF, the scientists worked closely with CLF staff to adapt the Vulcan laser in order that two different colour lasers could exchange energy in a plasma. The measured gain coefficient of 180 cm-1 is more than 100 times larger than achievable from existing high power laser system amplifiers based on solid-state media.

https://phys.org/news/2017-05-world-highest-gain-high-power-laser.html

Усиление лазерного излучения — важный элемент телекоммуникационных схем и многих оптических экспериментов, в частности, посвященных взаимодействию света с материей. Излучение высокой интенсивности позволяет, например, исследовать рождение электрон-позитронных пар в вакууме, а также воспроизводить условия и процессы внутри звезд.

Существует несколько различных схем для усиления излучения, но все они сводятся к одной идее. Сигнальный импульс, который необходимо усилить, взаимодействует с некоторой средой, содержащей избыточную энергию (например, с возбужденными атомами в оптоволокне). При определенных условиях испускание фотонов средой синхронизируется с фотонами сигнального импульса — новые кванты света добавляются к импульсу и тем самым усиливают его. Для полупроводниковых усилителей коэффициент усиления может достигать тысяч раз.

Однако чем больше требуемая энергия лазерного импульса, тем сложнее добиться усиления: мощное лазерное излучение попросту разрушает материал усилителя. Поэтому добиться огромных энергий чрезвычайно сложно, это требует сложных и дорогостоящих установок. Один из путей избежать такого разрушения — использовать среду, которая по сути уже была разрушена, — плазму. Но до сих пор, по словам авторов, лучшим результатом усиления в плазме было увеличение энергии импульса с 16 микроджоулей до 5,6 миллиджоуля.

Авторы новой работы добились с помощью плазмы рекордного усиления среди существующих лазерных систем — на восемь порядков, от сотен пикоджоулей в импульсе до 100 миллиджоулей. По словам ученых, это более чем в 100 раз превышает возможности усиления традиционных приборов, основанных на твердофазных средах.

Эксперимент был построен следующим образом. Водородная плазма формировалась благодаря импульсам инфракрасного петаваттного лазера Vulcan. В одном 10-пикосекундном импульсе содержалось до 100 джоулей энергии. Одновременно с этим генерировался второй — очень слабый пикосекундный импульс с суммарной энергией порядка сотен пикоджоулей. За счет большой энергии накачки основного лазера в плазме происходили нелинейные процессы. Физики поясняют, что взаимодействие двух импульсов порождало волны в плазме, работавшие как зеркала. В результате часть энергии накачки переходила в энергию сигнального импульса.

Энергия рассеянного в результате рамановского усиления излучения достигала 170 миллиджоулей. Однако почти половина этой энергии, 70 миллиджоулей, — результат усиления флуктуаций плазмы. Этот недостаток не позволяет полноценно использовать такие усилители, однако при меньшей мощности лазера накачки доля шумов не так велика. По оценкам авторов, эффективность усиления в установке достигает 10 процентов (в ранних работах — 6,4 процента).

Самым мощным импульсным лазером в мире является двухпетаваттный LFEX, испытанный в 2015 году. Среди крупнейших установок также выделяется Техасский петаваттный лазер (1,2 петаватта). С его помощью физики превращают золото в фонтан антиматерии. Лазеры подобной мощности позволяют создавать плазменные зеркала и дифракционные решетки.

Источник: https://nplus1.ru/news/2017/05/29/high-gain-amplification