Exawatt-Zettawatt generazione di impulsi e applicazioni (2023)

In questo lavoro, indaghiamo numericamente l'intensificazione del raggio laser in un sistema di interazione tra raggi laser e bersaglio microstrutturato non collineare coerentemente combinato (NCCC), in presenza di variazione della durata dell'impulso, fino a un regime di pochi cicli. Viene eseguito un modello numerico 2D basato sul metodo del dominio del tempo alle differenze finite (FDTD) per fornire una descrizione spazio-temporale della distribuzione del campo elettromagnetico in prossimità del punto di interazione laser-bersaglio in caso di NCCC di più impulsi laser. I risultati dimostrano che la combinazione di fascio spettrale e coerente non collineare di tre impulsi laser in un bersaglio a cono microstrutturato consente un aumento significativo dell'intensità del campo mentre si verifica una riduzione della durata temporale dell'impulso combinato. Questo modello numerico offre una soluzione efficace per aumentare l'intensità del laser in un bersaglio a cono microstrutturato impiegando una combinazione di fasci coerenti e spettrali di più sorgenti laser e può essere utilizzato come metodo alternativo per il miglioramento dell'intensità del campo in vari esperimenti di interazione laser-materia in regime ultra-intenso.

Proponiamo un modello teorico per produrre impulsi laser ultra-intensi e ultra-compressi basati sul processo Stimulated Brillouin Scattering (SBS). L'amplificazione degli impulsi laser tramite il processo di amplificazione Brillouin si ottiene quando tre onde (due onde elettromagnetiche trasversali e un'onda longitudinale del plasma) si accoppiano nel plasma quando la condizione di risonanza per l'energia (frequenza$\mathrm{OH}$) e quantità di moto (vettore d'onda$K$) è soddisfatto. L'impulso seme contro propagazione prende energia dall'impulso laser quando interagiscono tra loro attraverso il processo di diffusione Brillouin stimolata e infine viene amplificato e compresso. Ottimizziamo i parametri (come la densità del plasma iniziale, l'intensità dell'impulso laser iniziale, il tempo di interazione, il tempo di rottura dell'onda, il tempo di riempimento ecc.) per la compressione e l'amplificazione SBS per ottenere un impulso laser ad alta intensità. Questa finestra ottimizzata corrisponde esattamente ai risultati della simulazione riportati da Weber et al. [1]. A causa della forte SBS all'interno della finestra parametrica ottimale, è possibile sviluppare un amplificatore compatto basato su plasma, in grado di produrre impulsi laser brevi ad alta intensità. Questa tecnica offre un'amplificazione meno dannosa degli impulsi laser. Il rapporto di amplificazione e compressione ottenuti in questo modello sono rispettivamente 94 e 30. Queste intensità possono essere utilizzate come intensità seme per ottenere impulsi laser Zetta watt utilizzando la tecnica C-3 (Cascade, Conversion and Compression) riportata da Mourou et al. [2].

La dinamica degli elettroni di non equilibrio nei solidi è un argomento importante sia dal punto di vista fondamentale che tecnologico. Il recente sviluppo della tecnologia laser ci ha permesso di studiare la dinamica degli elettroni ultraveloci nel dominio del tempo. Il calcolo dei principi primi è un potente strumento per analizzare dinamiche elettroniche così complesse e chiarire la fisica alla base dell'osservazione sperimentale. In questo articolo, esaminiamo il recente sviluppo del calcolo dei principi primi per la dinamica degli elettroni indotta dalla luce nei solidi rivedendo la sua applicazione ai recenti esperimenti ad attosecondi. I calcoli della dinamica degli elettroni offrono una descrizione accurata delle proprietà ottiche statiche e transitorie dei solidi e forniscono informazioni fisiche sulla dinamica degli elettroni indotta dalla luce. Inoltre, la decomposizione microscopica delle proprietà transitorie dei sistemi di non equilibrio è stata sviluppata per estrarre informazioni microscopiche dai risultati della simulazione. L'analisi dei principi primi ha aperto un nuovo percorso per analizzare le dinamiche degli elettroni di non equilibrio nella materia e per fornire la comprensione fondamentale in modo complementare con la sofisticata tecnica sperimentale.

Physica A: Meccanica statistica e sue applicazioni, Volume 404, 2014, pp. 302-314

Ci concentriamo sul calcolo dell'entropia per stati di decadimento in meccanica quantistica non relativistica. Il punto di partenza è il modello di Friedrichs nel secondo linguaggio di quantizzazione. In questo modello, l'Hamiltoniano ammette una rappresentazione spettrale che include risonanze e stati di Gamow in modo esplicito. Per evitare le limitazioni poste dalla definizione di probabilità canoniche in presenza di uno spettro complesso, e/o dall'uso di temperature complesse, costruiamo la funzione di partizione che esegue un'integrazione di cammini su stati coerenti. Si dimostra che l'integrazione del percorso fornisce risultati corretti, in ordine di guida, nell'ambito della teoria delle perturbazioni termiche. Infine, otteniamo un'espressione per l'entropia canonica di un sistema in decadimento quantistico composto da stati di fermioni e bosoni.

Journal of the European Ceramic Society, Volume 36, Issue 8, 2016, pp. 2035-2042

Il controllo della quantità residua di difetti nella ceramica trasparente è una sfida importante per le applicazioni laser. Questo studio si è concentrato sull'influenza del trattamento post-sinterizzazione mediante pressatura isostatica a caldo (HIP) sull'evoluzione microstrutturale durante la reazione-sinterizzazione delle ceramiche Nd:YAG. Questo lavoro dimostra che il fenomeno della separazione dei bordi pori-grano può essere evitato grazie ad un adeguato trattamento post-HIP. Di conseguenza, questo studio mostra che è possibile produrre ceramiche Nd:YAG completamente dense e altamente trasparenti con grani microdimensionati mediante la tecnologia HIP. Infine, è stata dimostrata l'oscillazione del laser e l'efficienza della pendenza del laser sembra essere migliorata con il trattamento dell'HIP.

Strumenti e metodi nucleari nella ricerca fisica Sezione A: acceleratori, spettrometri, rivelatori e apparecchiature associate, volume 829, 2016, pp. 392-396

Viene sviluppato un modello analitico omogeneo a tratti per l'iniezione laterale di elettroni in onde di plasma lineari. Viene studiata la dinamica delle oscillazioni trasversali del betatrone. Sulla base delle caratteristiche del moto trasversale viene descritto il moto longitudinale degli elettroni. Vengono stimati i parametri elettronici per i quali è possibile l'intrappolamento elettronico e la successiva accelerazione. I risultati analitici sono verificati mediante simulazioni numeriche nell'ambito del modello omogeneo a tratti. I risultati previsti da questo modello vengono anche confrontati con i risultati forniti da un modello disomogeneo più realistico.

Strumenti e metodi nucleari nella ricerca fisica Sezione A: acceleratori, spettrometri, rivelatori e apparecchiature associate, volume 955, 2020, articolo 163249

Per utilizzare i protoni accelerati dal laser nelle applicazioni del mondo reale, sono necessarie linee di luce appositamente progettate per controllare e migliorare la qualità del raggio. Presso l'Università di Pechino è stato costruito il Compact LAser Plasma Accelerator (CLAPA), che ora è accoppiato a una linea di luce che trasmette le immagini. Il componente di raccolta principale di questa linea di luce è una lente tripletta quadrupolare elettromagnetica. Poiché questa lente è il primo e il passo più cruciale per il successo del trasporto del raggio, abbiamo studiato sistematicamente l'effetto di focalizzazione sui protoni guidati dal laser, in termini di emittanza, profilo del raggio ed efficienza di raccolta. Abbiamo scoperto che l'emittanza rms normalizzata dei protoni può aumentare significativamente, dall'ordine di una frazione di mm$\cdot$mrad a diversi mm$\cdot$mrad, a causa della dispersione dell'ellisse dello spazio delle fasi causata dall'effetto congiunto dell'ampia diffusione dell'energia e del campo non lineare al bordo dei quadrupoli. Il profilo di focalizzazione e l'efficienza sono anche sensibili alla posizione e alle deviazioni angolari dei fasci di protoni iniettati. Con la regolazione fine, abbiamo scoperto che l'efficienza di raccolta può essere migliorata da meno del 10% fino al 29%, per i protoni all'energia di riferimento per CLAPA.

Ceramics International, Volume 42, Numero 12, 2016, pp. 14228-14235

Il granato di ittrio e alluminio (YAG) è un candidato interessante come materiale di barriera termica utilizzato per le pale delle turbine nei motori aeronautici, grazie alla sua conduttività termica relativamente bassa, alla bassa diffusività dell'ossigeno e alla buona stabilità di fase alle alte temperature. YAG ha una struttura cristallina complessa, in cui Y³⁺gli ioni si trovano nel dodecaedro e in Al³⁺ioni in ottaedro e tetraedro. La sostituzione dei cationi ospiti con elementi di terre rare può causare il cambiamento della struttura che influenza le proprietà termiche di YAG. Poiché lo spazio all'interno dell'ottaedro è relativamente piccolo, Yb³⁺ioni che hanno la dimensione radiale ionica più piccola nella serie dei lantanidi, sono stati selezionati e tentati di essere drogati su siti dodecaedrici e ottaedrici per studiare gli effetti sulla conduttività termica e sull'espansione termica. La variazione della costante reticolare indica che Yb³⁺gli ioni si trovano sul dodecaedro o sull'ottaedro. Inoltre, quando Yb³⁺gli ioni sostituiscono Al³⁺ioni su siti ottaedrici, la conduttività termica a temperatura ambiente è drasticamente ridotta e il coefficiente di dilatazione termica è superiore a 10×10^-6K^-1ad alta temperatura, che risulta dall'espansione dell'ottaedro dovuta al raggio molto più grande di Yb³⁺ione rispetto al catione ospite (Al³⁺ione). Al contrario, sostituendo Y³⁺ioni con Yb³⁺ioni nel dodecaedro, anche la conduttività termica si riduce gradualmente a un valore simile ma il coefficiente di espansione termica si sta riducendo, a causa del raggio ionico relativamente piccolo di Yb³⁺provocando la contrazione del dodecaedro. Pertanto, un drogante con raggio molto più grande sarebbe preferito sia nel dodecaedro che nell'ottaedro per ridurre significativamente la conducibilità termica e aumentare il coefficiente di espansione termica di YAG, introducendo una grande differenza radiale tra il drogante e i cationi ospiti.

Materiali ottici, Volume 49, 2015, pp. 330-336

Le ceramiche trasparenti Cr:YAG e Yb/Cr:YAG contenenti Ca come elemento contatore di carica sono state fabbricate mediante tecnica di sinterizzazione sotto vuoto utilizzando la sintesi per coprecipitazione di polveri grezze. Le loro proprietà spettrali e di luminescenza, nonché l'influenza del Cr³⁺concentrazione sulle proprietà ottiche della ceramica Yb,Cr:YAG. I risultati mostrano che la trasmittanza di 10at.% Yb, 0,25at.% Cr:YAG e 0,25at.% Cr:YAG raggiunge rispettivamente l'83% a 1200nm e l'81% a 1400nm. E le ceramiche Yb,Cr:YAG presentano una struttura priva di pori con una granulometria media di circa 5μm. Dopo la ricottura, la maggior parte di Cr³⁺gli ioni si trasformano in Cr⁴⁺. Nel caso della lunghezza d'onda di eccitazione di 440 nm, è apparso un forte picco di emissione di 694 nm nella ceramica Yb, Cr: YAG prima della ricottura e la banda è migliorata con l'aumento del Cr³⁺concentrazione, che è attribuita al⁴T_2gr−⁴UN_2grtransizione di fluorescenza. Gli spettri di emissione e i decadimenti della fluorescenza manifestano che sia l'intensità luminescente che la durata di Yb, Cr: YAG sono inferiori a Yb: YAG ceramica e le durate di Yb, Cr: YAG e Yb: YAG sono rispettivamente di 0,93 e 2,38 ms. Questi risultati dimostrano l'esistenza dell'assorbimento dello stato fondamentale di Cr⁴⁺nella ceramica Yb,Cr:YAG. Prove sperimentali hanno dimostrato che la ceramica trasparente Yb,Cr:YAG potrebbe essere un materiale potenziale per il laser a stato solido a commutazione Q automatica passiva.