兩位RIKEN物理學(xué)家已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了峰值功率為6太瓦(6萬(wàn)億瓦)的極短激光脈沖，大致相當(dāng)于6000座核電站的功率。這一成就將有助于進(jìn)一步發(fā)展阿秒激光器，為此，三名研究人員獲得了 2023 年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。這項(xiàng)工作發(fā)表在《自然·光子學(xué)》雜志上。

就像相機(jī)閃光燈可以“凍結(jié)”快速移動(dòng)的物體，使它們?cè)谡掌锌雌饋?lái)好像靜止不動(dòng)一樣，極短的激光脈沖可以幫助照亮超快的過(guò)程，為科學(xué)家提供一種強(qiáng)大的成像和探測(cè)方法。

例如，阿秒量級(jí)的激光脈沖(1阿秒=10-18秒)非常短，以至于它們可以揭示原子和分子中電子的運(yùn)動(dòng)，從而為發(fā)現(xiàn)化學(xué)和生化反應(yīng)如何演變提供了一種新方法。即使是光似乎也在如此短的時(shí)間尺度上爬行，穿過(guò)一個(gè)納米大約需要3阿秒。

RIKEN先進(jìn)光子學(xué)中心(RAP)的Eiji Takahashi說(shuō)：“通過(guò)使捕獲電子運(yùn)動(dòng)成為可能，阿秒激光器為基礎(chǔ)科學(xué)做出了重大貢獻(xiàn)。它們有望用于廣泛的領(lǐng)域，包括觀察生物細(xì)胞，開發(fā)新材料和診斷醫(yī)療狀況?！?/p>

力量和沖擊力

但是，雖然可以產(chǎn)生超短激光脈沖，但它們?nèi)狈艽蟮臎_擊力，能量低。產(chǎn)生超短且高能量的激光脈沖將大大擴(kuò)展其可能的用途。Takahashi說(shuō)：“阿秒激光器的電流輸出能量極低，因此，如果要將它們用作廣泛領(lǐng)域的光源，那么增加它們的輸出能量至關(guān)重要?！?/p>

正如音頻放大器用于增強(qiáng)聲音信號(hào)一樣，激光物理學(xué)家使用光學(xué)放大器來(lái)增加激光脈沖的能量。這些放大器通常采用對(duì)光表現(xiàn)出特殊響應(yīng)的非線性晶體。但是，如果這些晶體用于放大單周期激光脈沖，它們可能會(huì)受到不可挽回的損壞，這些脈沖非常短，以至于脈沖在光可以通過(guò)整個(gè)波長(zhǎng)周期振蕩之前就結(jié)束了。

Takahashi解釋說(shuō)：“高能、超快紅外激光源開發(fā)的最大瓶頸是缺乏直接放大單周期激光脈沖的有效方法。這個(gè)瓶頸導(dǎo)致了單周期激光脈沖能量的一毫焦耳屏障?！?/p>

新紀(jì)錄

現(xiàn)在，高橋和RAP的同事陸旭不僅跨越了這個(gè)障礙，而且已經(jīng)突破了它。他們將單周期脈沖放大到50毫焦耳以上，是以前理想功率的50倍以上。由于產(chǎn)生的激光脈沖非常短，因此這種能量可以轉(zhuǎn)化為數(shù)太瓦的令人難以置信的高功率。

Takahashi說(shuō)：“我們已經(jīng)展示了如何通過(guò)建立一種有效的方法來(lái)放大單周期激光脈沖來(lái)克服瓶頸”。

他們的方法稱為高級(jí)雙啁啾光學(xué)參量放大(DC-OPA)，非常簡(jiǎn)單，僅涉及兩個(gè)晶體，可放大光譜的互補(bǔ)區(qū)域。

Takahashi說(shuō)：“用于放大單周期激光脈沖的先進(jìn)DC-OPA非常簡(jiǎn)單，僅基于兩種非線性晶體的組合，感覺就像是任何人都可以想出的想法。令我驚訝的是，如此簡(jiǎn)單的概念提供了一種新的放大技術(shù)，并在高能超快激光器的發(fā)展中取得了突破。”

重要的是，先進(jìn)的DC-OPA可以在非常寬的波長(zhǎng)范圍內(nèi)工作。Takahashi和Xu能夠放長(zhǎng)相差超過(guò)兩倍的脈沖。Takahashi說(shuō)：“這種新方法具有革命性的特點(diǎn)，即可以在不影響輸出能量縮放特性的情況下使放大帶寬超寬”。

擴(kuò)增技術(shù)

他們的技術(shù)是另一種光脈沖放大技術(shù)的變體，稱為“啁啾脈沖放大”，來(lái)自美國(guó)、法國(guó)和加拿大的三名研究人員因此獲得了 2018 年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。2018 年和 2023 年的獎(jiǎng)項(xiàng)之間存在有趣的聯(lián)系，因?yàn)檫泵}沖放大是促成阿秒激光器開發(fā)的技術(shù)之一。

Takahashi預(yù)計(jì)，他們的技術(shù)將進(jìn)一步推動(dòng)阿秒激光器的發(fā)展。他說(shuō)：“我們已經(jīng)成功地開發(fā)了一種新的激光放大方法，可以將單周期激光脈沖的強(qiáng)度提高到太瓦級(jí)的峰值功率。這無(wú)疑是高功率阿秒激光器發(fā)展的重大飛躍。”

從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，他的目標(biāo)是超越阿秒激光，創(chuàng)造更短的脈沖。

他說(shuō)：“通過(guò)將單周期激光器與高階非線性光學(xué)效應(yīng)相結(jié)合，很可能產(chǎn)生時(shí)間寬度為澤秒(1澤秒= 10-21秒)的光脈沖。我的長(zhǎng)期目標(biāo)是敲開齊秒激光研究的大門，開啟繼阿秒激光之后的下一代超短激光?！?br />
審核編輯 黃宇