近日，伯克利实验室加速器技术与应用物理（ATAP）部门的一组研究人员宣布开发出一种新技术，可以将不同波长的光纤激光器组合在一起，产生超短激光脉冲。

这项工作可以推动激光等离子体加速器（LPAs）的发展，它有可能推动高能物理的前沿，并使材料科学、聚变研究和许多其他领域的发现成为可能。

激光等离子体加速器（LPAs）用强烈的超快激光脉冲通过等离子体来加速带电粒子，速度比目前的技术快1000倍，能够制造出比传统加速器更紧凑、更强大的机器，而且制造和操作成本更低。

目前，大多数激光等离子体加速器（LPAs）使用重复频率只有几赫兹（Hz）的激光脉冲。然而，实现LPAs的全部潜力需要高功率激光系统，能够以kHz或更高的重复频率产生超短、高能激光脉冲。

这些限制对产生这种脉冲的激光系统提出了非常苛刻的要求。因此，研究人员转向光纤激光器，她说这是“迄今为止最有效的高功率激光技术，也有广泛的工业发展，可以在我们的工作中加以利用。”

虽然光纤激光器产生的脉冲的能量和功率可以通过在空间和时间上组合多个脉冲来放大，但是这些脉冲目前被限制在大约100飞秒（fs），这不足以驱动激光等离子体加速器（LPAs）。

ATAP旗下BELLA 中心的研究科学家解释说：“虽然光纤激光系统提供了最高的电光功率效率——但在这些系统中放大的超短激光脉冲的频谱变窄了。”

“当激光脉冲以这种方式放大时，增益变窄是一个基本效应；脉冲的频谱越窄，持续时间就越长。因此，高功率光纤激光器产生短于100秒的脉冲是非常具有挑战性的。”

然而，通过将在相邻波长范围内工作的多个激光脉冲进行光谱组合，该团队（包括工程部的Qiang Du和ATAP的Dan Wang和Russell Wilcox）实现了一个超宽的组合光谱，能够支持几十秒的非常短的脉冲。

为了增加带宽并产生几十秒长的脉冲，研究人员首先使用锁模振荡器和掺镱光纤放大器（YDFA）以100 MHz的重复率产生120秒的脉冲。它们被送到光子晶体光纤中，这些激光脉冲的光谱从27纳米（nm）扩大到90纳米。

然后，他们使用了一个二向色镜，它可以使激光脉冲在没有明显强度损失的情况下分离或组合，从而在光谱上分裂脉冲。然后将它们发送到两个脉冲成形器，以形成各自脉冲光谱的强度和相位。当反射脉冲被发送到第一个整形器时，发射脉冲被YDFA放大，由第二个整形器形成脉冲，并由另一个二向色镜进一步分割。来自光纤激光器的三个啁啾脉冲随后被放大，并使用额外的二向色镜重新组合。

这种超宽带频谱与合成脉冲整形相结合，产生的脉冲持续时间只有42秒，这比三个光纤通道产生的脉冲要短得多。据该团队介绍，这是从光谱组合镱光纤激光系统中获得的最短脉冲激光持续时间。

虽然这项工作已经证明了到目前为止在低能量下的超快脉冲，但它展示了超宽带频谱组合和相干频谱合成脉冲整形的关键原理，并为使用光纤激光器驱动激光等离子体加速器（LPAs）提供了一个突破口。未来，该团队计划增加更多的放大级，并实施能够在空间、时间和频谱上组合光纤激光器的多维技术，以产生数十秒的高能激光脉冲。