Резкий скачок в мощности излучения лазеров произошел за последние 30 лет. Еще в 1996 лазер «Нова» Ливерморской национальной лаборатории (США) первым в мире достиг петаваттной мощности, а в 2017-м шанхайский SURF уже показал 10 ПВт. Такой прогресс стал возможен благодаря замене активной среды с неодимового стекла на титан-сапфировый кристалл. Это позволило сократить длительность импульса с 500 фемтосекунд до 25 фс.

Однако у титан-сапфирового лазера сверхкоротких импульсов есть верхний предел мощности излучения — 10 ПВт. Сегодня, если нужно его превзойти, исследователи обычно обращаются к другой технологии на основе нелинейных кристаллов, которая, однако, обладает рядом недостатков, которых нет у титан-сапфировых кристаллов, рассказывает Phys.org.

Активная среда титан-сапфирового лазера выполняется из мокрокристалла сапфира с ионами титана. Импульс накачки запускает инверсию заселенности между верхними и нижними уровнями энергии, накапливая энергию. Когда сигнал проходит через кристалл несколько раз, накопленная энергия усиливает его. Однако помехи спонтанного излучения поглощают накопленную энергию и снижают эффект усиления лазерного сигнала. Увеличение размеров кристалла не помогает, поскольку помехи тоже повышаются в геометрической прогрессии.

Физики из Шанхайского института оптики и точной механики предложили инновационный подход черепичного соединения нескольких титан-сапфировых кристаллов. Новый метод преодолевает барьер в 10 ПВт, позволяя повысить диаметр апертуры всего кристалла и снизить помехи. Мощность импульса можно повысить таким образом до 40 ПВт, а максимальную фокусную интенсивность — в 10 и более раз. При этом метод относительно недорогой и простой.

«Титан-сапфировое лазерное усиление было успешно продемонстрировано в нашей 100-тераваттной лазерной системе, — сказал Лэн Юйсинь, один из исследователей. — Мы добились почти идеального лазерного усиления при помощи этой технологии, включая высокую эффективность преобразования, энергетическую стабильность, широкополосные спектры, короткие импульсы и маленькие фокальные пятна».

Прошлой осенью Национальная ускорительная лаборатория SLAC Министерства энергетики США испытала самый мощный в мире рентгеновский лазер. Рентгеновский лазер на свободных электронах (XFEL) Linac Coherent Light Source II (LCLS-II) выдает миллион импульсов в минуту и ​​в 10 000 раз ярче своего предшественника.