新型激光放大器面世：打破10拍瓦功率极限！

2024-01-08 13:40

超强超短激光具有广泛的应用范围，包括基础物理、国家安全、工业服务和医疗保健。在基础物理学中，这种激光器已成为研究强场激光物理的有力工具，特别是在激光驱动辐射源、激光粒子加速、真空量子电动力学等方面。

从1996年的1拍瓦“Nova”到2017年的10拍瓦上海超强超短激光实验装置（SULF）和2019年的10拍瓦欧洲“极端光基础设施-核物理”（ELI-NP），峰值激光功率的急剧增加是由于大孔径激光器增益介质的转变（从掺钕玻璃到钛：蓝宝石晶体）。这种转变将高能激光的脉冲持续时间从大约500飞秒（fs）减少到大约25飞秒。

然而，钛蓝宝石超强超短激光器的似乎涨到10拍瓦就达到了上限。目前，对于10拍瓦到100拍瓦的发展规划，研究人员普遍对钛蓝宝石啁啾脉冲放大技术不太抱希望，转而将目标投向基于氘化磷酸二氢钾非线性晶体的光学参数啁啾脉冲放大技术。

不过，后者虽然应用前景很不错，其低泵-信号转换效率和时空-光谱-能量稳定性方面的缺陷，却给未来10-100拍瓦激光器的实现和应用带来了巨大的挑战。

另一方面，钛蓝宝石啁啾脉冲放大技术作为一项成熟的技术，已经分别在中国和欧洲打造出了1台10千兆瓦激光器，在超强超短激光器的下一阶段发展中仍有很大的潜力。

钛：蓝宝石晶体是一种能级型宽带激光增益介质。在增益过程中，泵浦脉冲被吸收，在上下能级之间建立能级反转，完成能量存储。当信号脉冲多次穿过钛蓝宝石晶体时，所储存的能量被提取出来用于激光信号放大。然而，在横向寄生激光中，自发发射噪声沿着晶体直径的方向被放大，消耗了存储的能量，降低了信号激光放大。

寄生激光（Parasitic Lasing）是一种在激光器或放大器设备中出现的不需要的激光操作。这种现象通常是由于设备内部的某些部分无意中形成了激光腔，导致激光在不需要的频率或模式下振荡。寄生激光的出现，往往会抑制设备中需要的激光操作，降低设备的性能，甚至可能导致设备的损坏。

目前，钛蓝宝石晶体的最大孔径只能支持10拍瓦的激光器。即使使用更大的钛蓝宝石晶体，激光放大仍然是不可能的，因为强横向寄生激光随着钛蓝宝石晶体尺寸的增加呈指数增长。

突破口关键在哪？

为了应对这一挑战，研究人员采取了一种创新的方法，将多个钛蓝宝石晶体相干地铺在一起。

据《先进光子学通讯》（Advanced Photonics Nexus）报道，该方法突破了目前钛蓝宝石超强超短激光器10拍瓦的限制，有效地增加了整个钛蓝宝石平铺晶体的孔径直径，并截断了每个平铺晶体内的横向寄生激光。

论文通讯作者、上海光学精密机械研究所研究人员Yuxin Leng指出：“我们在100太瓦（即0.1拍瓦）激光系统中成功地展示了平铺钛：蓝宝石激光的放大。我们利用这种技术实现了接近理想的激光放大，包括高转换效率、稳定的能量、宽带光谱、短脉冲和小焦斑。”

其团队报告称，相干平铺钛：蓝宝石激光放大提供了一种相对简单和廉价的方法，可以超过目前10千瓦时的极限。该方法有望提高强场激光物理中超强超短激光器的实验能力。

“通过在上海超强超短激光实验装置（SULF）或欧盟“极端光基础设施-核物理”（ELI-NP）装置中添加2×2相干平铺钛：蓝宝石高能激光放大器，可以将激光功率从当前的10拍瓦进一步增加到40拍瓦，聚焦峰值强度可以增加近10倍或更多。”

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