新型鈦藍寶石激光放大器破繭而出：10拍瓦的限制被徹底顛覆！

超強超短激光具有廣泛的應用范圍，包括基礎物理、國家安全、工業(yè)服務和醫(yī)療保健。在基礎物理學中，這種激光器已成為研究強場激光物理的有力工具，特別是在激光驅動輻射源、激光粒子加速、真空量子電動力學等方面。

從1996年的1拍瓦“Nova”到2017年的10拍瓦上海超強超短激光實驗裝置（SULF）和2019年的10拍瓦歐洲“極端光基礎設施-核物理”（ELI-NP），峰值激光功率的急劇增加是由于大孔徑激光器增益介質的轉變（從摻釹玻璃到鈦：藍寶石晶體）。這種轉變將高能激光的脈沖持續(xù)時間從大約500飛秒（fs）減少到大約25飛秒。

然而，鈦藍寶石超強超短激光器的似乎漲到10拍瓦就達到了上限。目前，對于10拍瓦到100拍瓦的發(fā)展規(guī)劃，研究人員普遍對鈦藍寶石啁啾脈沖放大技術不太抱希望，轉而將目標投向基于氘化磷酸二氫鉀非線性晶體的光學參數(shù)啁啾脈沖放大技術。

不過，后者雖然應用前景很不錯，其低泵-信號轉換效率和時空-光譜-能量穩(wěn)定性方面的缺陷，卻給未來10-100拍瓦激光器的實現(xiàn)和應用帶來了巨大的挑戰(zhàn)。

另一方面，鈦藍寶石啁啾脈沖放大技術作為一項成熟的技術，已經分別在中國和歐洲打造出了1臺10千兆瓦激光器，在超強超短激光器的下一階段發(fā)展中仍有很大的潛力。

鈦：藍寶石晶體是一種能級型寬帶激光增益介質。在增益過程中，泵浦脈沖被吸收，在上下能級之間建立能級反轉，完成能量存儲。當信號脈沖多次穿過鈦藍寶石晶體時，所儲存的能量被提取出來用于激光信號放大。然而，在橫向寄生激光中，自發(fā)發(fā)射噪聲沿著晶體直徑的方向被放大，消耗了存儲的能量，降低了信號激光放大。

寄生激光（Parasitic Lasing）是一種在激光器或放大器設備中出現(xiàn)的不需要的激光操作。這種現(xiàn)象通常是由于設備內部的某些部分無意中形成了激光腔，導致激光在不需要的頻率或模式下振蕩。寄生激光的出現(xiàn)，往往會抑制設備中需要的激光操作，降低設備的性能，甚至可能導致設備的損壞。

目前，鈦藍寶石晶體的最大孔徑只能支持10拍瓦的激光器。即使使用更大的鈦藍寶石晶體，激光放大仍然是不可能的，因為強橫向寄生激光隨著鈦藍寶石晶體尺寸的增加呈指數(shù)增長。

突破口關鍵在哪？

為了應對這一挑戰(zhàn)，研究人員采取了一種創(chuàng)新的方法，將多個鈦藍寶石晶體相干地鋪在一起。

據《先進光子學通訊》（Advanced Photonics Nexus）報道，該方法突破了目前鈦藍寶石超強超短激光器10拍瓦的限制，有效地增加了整個鈦藍寶石平鋪晶體的孔徑直徑，并截斷了每個平鋪晶體內的橫向寄生激光。

論文通訊作者、上海光學精密機械研究所研究人員Yuxin Leng指出：“我們在100太瓦（即0.1拍瓦）激光系統(tǒng)中成功地展示了平鋪鈦：藍寶石激光的放大。我們利用這種技術實現(xiàn)了接近理想的激光放大，包括高轉換效率、穩(wěn)定的能量、寬帶光譜、短脈沖和小焦斑?！?/p>

其團隊報告稱，相干平鋪鈦：藍寶石激光放大提供了一種相對簡單和廉價的方法，可以超過目前10千瓦時的極限。該方法有望提高強場激光物理中超強超短激光器的實驗能力。 “通過在上海超強超短激光實驗裝置（SULF）或歐盟“極端光基礎設施-核物理”（ELI-NP）裝置中添加2×2相干平鋪鈦：藍寶石高能激光放大器，可以將激光功率從當前的10拍瓦進一步增加到40拍瓦，聚焦峰值強度可以增加近10倍或更多?！?/p>

審核編輯：黃飛