RIKEN的两位物理学家已经实现了峰值功率为6太瓦（6万亿瓦）的极短激光脉冲——大致相当于6000座核电站产生的功率。这一成就将有助于进一步开发阿秒激光器，三位研究人员因此获得了2023年诺贝尔物理学奖。这项研究发表在《自然·光子学》（Nature Photonics）杂志上。

就像相机闪光灯可以“冻结”快速移动的物体，使它们在照片中看起来好像静止不动一样，极短的激光脉冲，可以帮助照亮超快的过程，为科学家提供了一种成像和探测它们的有力方法。

例如，阿秒数量级的激光脉冲(1阿秒= 10^-18秒)是如此之短，以至于它们可以揭示原子和分子中电子的运动，为发现化学和生化反应的演变提供了一种新的方法。即使是光似乎也能在如此短的时间尺度上爬行，通过一纳米大约需要3阿秒。

“通过捕捉电子的运动，阿秒激光对基础科学做出了重大贡献，”RIKEN先进光子学中心（RAP）的Eiji Takahashi表示，“它们有望应用于广泛的领域，包括观察生物细胞、开发新材料和诊断医疗状况。”

更具冲击力

不过，虽然有可能制造出超短激光脉冲，但它们缺乏冲击力，能量低。创造超短高能量的激光脉冲，将极大地扩展其可能的用途。Eiji Takahashi表示：“阿秒激光器的当前输出能量极低。因此，如果要将它们用作广泛领域的光源，增加它们的输出能量是至关重要的。”

就像音频放大器被用来增强声音信号一样，激光物理学家使用光放大器来增加激光脉冲的能量。这些放大器通常采用对光有特殊响应的非线性晶体。但是，如果这些晶体被用来放大单周期激光脉冲，就会受到不可修复的破坏。单周期激光脉冲非常短，以至于在光振荡完一个完整的波长周期之前脉冲就结束了。

Eiji Takahashi表示：“发展高能、超快红外激光源的最大瓶颈是缺乏一种有效的方法来直接放大单周期激光脉冲。这个瓶颈导致了单周期激光脉冲能量的1毫焦耳屏障。”

创下新纪录

不过，这一瓶颈目前已经被突破了。他们已经将单周期脉冲放大到50毫焦耳以上，是之前最好成果的50倍以上。由于产生的激光脉冲非常短，这些能量转化为令人难以置信的几太瓦的高功率。

Takahashi表示：“我们已经证明了如何通过建立一种有效的方法，来放大单周期激光脉冲来克服瓶颈。”

他们的方法，称为先进的双啁啾光学参量放大（DC-OPA），非常简单，只涉及两个晶体，放大光谱的互补区域。

Takahashi表示：“用于放大单周期激光脉冲的先进DC-OPA非常简单，它只是基于两种非线性晶体的组合——这感觉像是任何人都能想到的想法。如此简单的概念提供了一种新的放大技术，并在高能超快激光器的发展中取得了突破，这让我感到惊讶。”

重要的是，先进的DC-OPA工作在非常宽的波长范围内。该研究团队能够放大波长相差两倍以上的脉冲。Takahashi表示：“这种新方法具有革命性的特点，即放大带宽可以在不影响输出能量缩放特性的情况下，实现超宽频率输出。”

新型的放大技术

他们的技术是另一种光脉冲放大技术的变体，称为“啁啾脉冲放大”，来自美国、法国和加拿大的三名研究人员因此在2018年获得了诺贝尔物理学奖。2018年和2023年的奖项之间有一个有趣的联系：啁啾脉冲放大是推动阿秒激光器发展的技术之一。

Takahashi预计，他们的技术将进一步推动阿秒激光器的发展：“我们已经成功地开发了一种新的激光放大方法，可以将单周期激光脉冲的强度增加到太瓦级的峰值功率，”他表示，“毫无疑问，这是高功率阿秒激光器发展的重大飞跃。”

从长远来看，他的目标是超越阿秒激光，创造更短的脉冲。