1、导读

近日,由俄罗斯科学院应用物理研究所、加拿大魁北克国立科学研究院和法国巴黎高等理工学院组成的国际联合研究团队展示了一种提高激光强度的创新技术。该技术采用基于光脉冲压缩的方法,在非常短的脉冲持续时间内实现了高功率(达到千兆瓦量级,1015W)激光脉冲输出。该技术成为提升激光强度的又一新方法,达到观察到量子电动力学现象的“新型物理学的极限强度”。

这项工作作为封面文章,在2020年6月的“ Applied Physics Letters”中进行了报道,作者为加拿大国立科学研究院Jean-Claude Kieffer教授及2018年诺贝尔物理学奖得主Gérard Mourou。

新型物理学的极限挑战——激光脉冲!

2、背景介绍

激光于20世纪60年代诞生,与原子能、计算机、半导体并称为新时代科技领域中的“四大发明”。激光在物理学、工业制造、天文学、生物医学、光通信、信息技术、军事等领域有着极其广泛的应用,影响了人类生活的各个方面,如激光切割、眼科飞秒、精密加工和扫描成像等。

随着激光发明的发展,人们致力于提升激光器的功率以应用到更多的领域。1985年,Gérard Mourou和Donna Strickland共同发明了啁啾脉冲放大(CPA)技术。CPA技术的原理是放大前在频域上分散激光种子脉冲的能量,放大后再进行集中,最终压缩成高功率短脉冲的激光,此技术将激光功率提高了1000倍,达到TW量级。Gérard Mourou和Donna Strickland因CPA技术于2018年获得了诺贝尔物理学奖,以表彰他们在激光物理学领域的突破性进展。

CPA技术是是实现高峰值功率激光的最佳手段,自该技术发明以来,超短脉冲的激光功率急剧增加,并达到近年来的极限值。目前,国际上许多研究小组正在尝试进一步放大激光的能量以增加其功率,但是这种方法价格昂贵,并且需要不断增加激光晶体的体积以及光束和光学器件的尺寸(超过1米)。

3、创新研究

在本文中,作者避免了前人通过增加激光能量提高功率的方法,而是采用压缩脉冲宽度的技术路线实现峰值功率的提升。随着激光脉冲压缩技术的发展,薄膜压缩能够支持更高功率的激光脉冲。激光脉冲薄膜压缩技术(Thin Film Compression, TFC)是将具有高能量的激光脉冲通过无涂层熔融石英晶片薄膜后实现光谱展宽,从而减小时域脉冲时间,以此提高激光的峰值功率。

新型物理学的极限挑战——激光脉冲!
基于薄片压缩技术实现千兆瓦量级的高功率激光脉冲

本文将激光脉冲压缩技术中薄膜压缩的概念扩展到薄板,使用商业化的钛宝石激光器演示了TFC方法的应用,实现了中心波长为800 nm的宽带强激光脉冲从24 fs到13 fs的时间压缩,获得了千兆瓦量级激光脉冲输出,上述方法有效降低了系统尺寸和运营成本。

新型物理学的极限挑战——激光脉冲!
(a) 脉宽压缩前的激光功率分布;(b) 脉宽压缩后的激光功率分布

本文作者Kieffer教授对这一成果作出评价:“我们将成为世界上第一个使用具有如此短脉冲的激光来获得这种高功率水平的国家之一。”本文的另一位作者,诺贝尔奖得主Gérard Mourou教授总结说:“如果我们能够通过压缩脉冲宽度的方法获得高功率激光输出,它将带领我们进入相对论领域的研究范畴。这是一个非常有趣的方向,具有将科学界带入新视野的潜力。”

新型物理学的极限挑战——激光脉冲!
加拿大国立科学研究院Jean-Claude Kieffer教授

4、应用与展望

本文作者利用了非线性光学效应,进一步压缩激光的脉冲宽度,获得了千兆瓦(1015W)量级的高功率激光输出。上述工作可以帮助人们观察到量子电动力学现象,并进入相对论领域的研究范畴。

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