Negli ultimi anni, il campo della fisica dei laser ha assistito a una vera e propria rivoluzione grazie allo sviluppo di laser ultra-intensi e ultracorti. Questi strumenti hanno aperto nuove frontiere nella ricerca scientifica di base, nella sicurezza nazionale, nei servizi industriali e nell’assistenza sanitaria. In particolare, i laser ultra-intensi e ultracorti sono diventati uno strumento fondamentale per lo studio della fisica dei laser a campo forte, con applicazioni che vanno dalle sorgenti di radiazione guidate da laser, all’accelerazione di particelle laser, alla elettrodinamica quantistica nel vuoto e oltre.
L’evoluzione della potenza e della tecnologia dei laser
La potenza di picco dei laser è aumentata in modo drammatico negli ultimi decenni, passando dal laser “Nova” da 1 petawatt del 1996 al “Shanghai Super-intense Ultrafast Laser Facility” (SULF) da 10 petawatt del 2017 e al “Extreme Light Infrastructure – Nuclear Physics” (ELI-NP) da 10 petawatt del 2019. Questo incremento è dovuto principalmente al cambio del mezzo di guadagno nei laser a grande apertura, passando dal “vetro drogato al neodimio” al “cristallo di titanio:sapphire”. Questo cambiamento ha ridotto la durata degli impulsi dei laser ad alta energia da circa 500 femtosecondi (fs) a circa 25 fs.
Limiti e innovazioni nella tecnologia dei laser
Tuttavia, sembra che il limite superiore per i laser ultra-intensi e ultracorti di titanio:sapphire sia di 10 petawatt. Attualmente, per lo sviluppo di laser da 10 a 100 petawatt, i ricercatori tendono ad abbandonare la tecnologia di amplificazione degli impulsi chirpati di titanio:sapphire, orientandosi verso la tecnologia di amplificazione degli impulsi chirpati parametrici ottici, basata su cristalli non lineari di fosfato di diidrogeno di potassio deuterato.
Questa tecnologia, a causa della sua bassa efficienza di conversione da pompa a segnale e della scarsa stabilità spaziotemporale-spettrale-energetica, rappresenterà una grande sfida per la realizzazione e l’applicazione dei futuri laser da 10 a 100 petawatt. D’altra parte, la tecnologia di amplificazione degli impulsi chirpati di titanio:sapphire, come tecnologia matura che ha già realizzato con successo due laser da 10 petawatt in Cina e in Europa, ha ancora un grande potenziale per lo sviluppo della prossima generazione di laser ultra-intensi e ultracorti.
Le sfide dei cristalli di titanio:sapphire
Il cristallo di titanio:sapphire è un mezzo di guadagno laser a banda larga di tipo a livelli energetici. L’impulso di pompaggio viene assorbito per costruire un’inversione di popolazione tra i livelli energetici superiore e inferiore, completando così lo stoccaggio dell’energia. Quando l’impulso di segnale passa più volte attraverso il cristallo di titanio:sapphire, l’energia immagazzinata viene estratta per l’amplificazione del segnale laser. Tuttavia, nel lasing parassita trasversale, un rumore di emissione spontanea amplificata lungo il diametro del cristallo consuma l’energia immagazzinata e riduce l’amplificazione del laser di segnale.
Attualmente, l’apertura massima dei cristalli di titanio:sapphire può supportare solo laser da 10 petawatt. Anche con cristalli di titanio:sapphire più grandi, l’amplificazione del laser non è ancora possibile perché il lasing parassita trasversale aumenta esponenzialmente con l’aumentare delle dimensioni dei cristalli di titanio:sapphire.
Soluzioni innovative e potenziale futuro
Per rispondere a questa sfida, i ricercatori hanno adottato un approccio innovativo che coinvolge l’accoppiamento coerente di più cristalli di titanio:sapphire. Come riportato il 23 dicembre 2023 su Advanced Photonics Nexus, questo metodo supera il limite attuale di 10 petawatt sui laser ultra-intensi e ultracorti di titanio:sapphire, aumentando efficacemente il diametro dell’apertura dell’intero cristallo di titanio:sapphire accoppiato e troncando anche il lasing parassita trasversale all’interno di ogni cristallo accoppiato.
L’autore corrispondente Yuxin Leng dell’Istituto di Ottica e Meccanica Fine di Shanghai osserva: “L’amplificazione del laser di titanio:sapphire accoppiato è stata dimostrata con successo nel nostro sistema laser da 100 terawatt (ovvero 0,1 petawatt). Abbiamo ottenuto un’amplificazione del laser quasi ideale utilizzando questa tecnologia, inclusa un’alta efficienza di conversione, energie stabili, spettri a banda larga, impulsi brevi e punti focali piccoli”.
Il team di Leng riferisce che l’amplificazione del laser di titanio:sapphire accoppiato fornisce un modo relativamente semplice ed economico per superare il limite attuale di 10 petawatt. “Aggiungendo un amplificatore laser ad alta energia di titanio:sapphire accoppiato 2×2 al SULF cinese o all’ELI-NP europeo, i 10 petawatt attuali possono essere ulteriormente aumentati a 40 petawatt e l’intensità di picco focalizzata può essere aumentata di quasi 10 volte o più”, afferma Leng.
