超短激光脈沖使阿秒成像成為可能

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锌雌饋砗孟耢o止不動(dòng)一樣，極短的激光脈沖可以幫助照亮超快的過程，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：“通過使捕獲電子運(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：“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整個(gè)波長(zhǎng)周期振蕩之前就結(jié)束了。

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

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：“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?！?/p>

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)相差超過兩倍的脈沖。Takahashi說：“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：“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。這無疑是高功率阿秒激光器發(fā)展的重大飛躍?！?/p>

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

他說：“通過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