新型激光放大器突破10拍瓦極限

超強(qiáng)超短激光具有廣泛的應(yīng)用范圍，包括基礎(chǔ)物理、國(guó)家安全、工業(yè)服務(wù)和醫(yī)療保健。在基礎(chǔ)物理中，這種激光已成為研究強(qiáng)場(chǎng)激光物理的強(qiáng)大工具，特別是用于激光驅(qū)動(dòng)輻射源、激光粒子加速、真空量子電動(dòng)力學(xué)等。

激光峰值功率從1996年的1拍瓦“Nova”到2017年的10拍瓦“SULF”和2019年的10拍瓦“ELI-NP”急劇增加，是由于大孔徑激光器的增益介質(zhì)發(fā)生了變化(從摻釹玻璃到鈦：藍(lán)寶石晶體)。這種轉(zhuǎn)變將高能激光器的脈沖持續(xù)時(shí)間從約500飛秒(fs)縮短到約25 fs。

然而，鈦藍(lán)寶石超強(qiáng)超短激光器的上限似乎是10拍瓦。目前，對(duì)于10拍瓦到100拍瓦的發(fā)展規(guī)劃，研究人員通常放棄鈦藍(lán)寶石啁啾脈沖放大技術(shù)，轉(zhuǎn)而采用基于氘化磷酸二氫鉀非線性晶體的光學(xué)參量啁啾脈沖放大技術(shù)。由于該技術(shù)泵浦-信號(hào)轉(zhuǎn)換效率低，時(shí)空-光譜-能量穩(wěn)定性差，將對(duì)未來(lái)10-100拍瓦激光器的實(shí)現(xiàn)和應(yīng)用構(gòu)成巨大挑戰(zhàn)。

另一方面，鈦藍(lán)寶石啁啾脈沖放大技術(shù)作為一項(xiàng)成熟的技術(shù)，已在中國(guó)和歐洲成功實(shí)現(xiàn)了兩臺(tái)10拍瓦激光器，在超強(qiáng)超短激光器的下一階段發(fā)展中仍具有巨大潛力。

鈦：藍(lán)寶石晶體是一種能級(jí)型寬帶激光增益介質(zhì)。泵浦脈沖被吸收，在上能級(jí)和下能級(jí)之間建立粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，從而完成能量?jī)?chǔ)存。當(dāng)信號(hào)脈沖多次通過(guò)鈦：藍(lán)寶石晶體時(shí)，儲(chǔ)存的能量被提取出來(lái)用于激光信號(hào)放大。然而，在橫向寄生激光中，沿晶體直徑的放大自發(fā)輻射噪聲消耗了儲(chǔ)存的能量，降低了信號(hào)激光放大。

目前，鈦：藍(lán)寶石晶體的最大孔徑只能支持10拍瓦的激光。即使使用更大的鈦：藍(lán)寶石晶體，激光放大仍然是不可能的，因?yàn)殡S著鈦：藍(lán)寶石晶體尺寸的增加，強(qiáng)烈的橫向寄生激光呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。

為了應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)，研究人員采取了一種創(chuàng)新的方法，將多個(gè)鈦：藍(lán)寶石晶體連貫地拼接在一起。

正如Advanced Photonics Nexus所報(bào)道的那樣，這種方法突破了目前鈦：藍(lán)寶石超強(qiáng)超短激光的10拍瓦限制，有效地增加了整個(gè)拼接鈦：藍(lán)寶石晶體的孔徑直徑，并截?cái)嗔嗣總€(gè)拼接晶體內(nèi)的橫向寄生激光。

通訊作者、上海光學(xué)精密機(jī)械研究所冷雨欣指出：“我們100太瓦(即0.1拍瓦)的激光系統(tǒng)成功演示了拼接鈦寶石激光放大。我們使用該技術(shù)實(shí)現(xiàn)了近乎理想的激光放大，包括高轉(zhuǎn)換效率、穩(wěn)定的能量、寬帶光譜、短脈沖和小焦點(diǎn)。”

冷雨欣的團(tuán)隊(duì)報(bào)告稱，連貫拼接的鈦藍(lán)寶石激光放大器提供了一種相對(duì)簡(jiǎn)單廉價(jià)的方法，可以超越目前的10拍瓦極限。

冷雨欣說(shuō)：“通過(guò)在中國(guó)SULF或歐盟ELI-NP中添加2×2相干拼接的鈦：藍(lán)寶石高能激光放大器，可以將目前的10拍瓦進(jìn)一步增加到40拍瓦，聚焦峰值強(qiáng)度可以增加近10倍或更多”。

該方法有望增強(qiáng)超強(qiáng)超短激光在強(qiáng)場(chǎng)激光物理中的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Α?br />
審核編輯 黃宇