超快科学 | 极高强度激光脉冲产生的新方法

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Marcus Seidel, Prannay Balla, Chen Li, Gunnar Arisholm, Lutz Winkelmann, Ingmar Hartl, Christoph M. Heyl, "Factor 30 Pulse Compression by Hybrid Multipass Multiplate Spectral Broadening", Ultrafast Science, vol. 2022, Article ID 9754919, 10 pages, 2022. 

自1960年激光器的诞生，一个新型的科研领域:非线性光学应运而生。激光特有的受激辐射的相干性从物理上使得光源的强度得到极大的提高。强于传统非相干光源数一个量级的光强在激光领域得以实现。在强场的驱动下，电子得以突破限制以非谐振的频率振荡。从而辐射出“色彩丰富的”激光。以光纤和激光灯丝作为波导而加强光场强度从而产生超宽带光谱光源的方法在数十年间得到了广泛的应用。

然而，在激光脉冲本身有非常高能量的前提下，因光纤和激光灯丝的方法由于自身器件损坏，不能保持应有的波导性质而不再适用。在德国电子加速器和耶拿-亥姆霍兹中心的研究者发现了在高能激光条件下适用的光谱展宽方法。这种方法要求使用两面镜子对激光进行重新聚焦形成多次反射，并在腔内放置多片非线性玻璃。

近期发表在Ultrafast Science的文章中，研究者们报道了利用这种方法将激光进行频谱展宽三十倍，并得到脉冲宽度压缩同样倍数的实验结果。这样的展宽-压缩显著提高了激光脉冲的峰值功率。值得一提的是，在实验中输入的激光脉冲峰值功率高于玻璃光纤可承受功率极限的40倍。尽管在多次反射腔中脉冲经过的玻璃厚度之和达到了40厘米，但激光的能量和光束质量都没有明显下降。

文章的第一作者Marcus Seidel博士说：“我们很好的结合了两种新型方法扩展了超短脉冲的光谱，尽管实验装置相当的简单。在展宽实验中的所有器件都是市场上有库存的标准器件，这些先决条件以及实验中系统表现出的强抗噪能力为此方法的广泛应用创造了很好的条件。”  德国电子加速器和耶拿-亥姆霍兹中心青年科研负责人Christoph Heyl博士补充道：“在超快光学领域，高功率激光光源往往只能提供皮秒量级的激光脉冲。我们的研究展现了一种可以将皮秒高能脉冲转换到数十飞秒区间千兆瓦峰值功率的，小型、高 效且经济的方法。”

光谱展宽的新型方法示意图：一束近单色的激光脉冲进入由两面凹面镜组成的“多通腔”。腔中的一组非线性玻璃提供了脉冲展宽所需的非线性的同时，由于非线性的影响也在脉冲的传播中起到了透镜的作用，输出光谱将得到极大的展宽。

飞秒量级的时间尺度正是分子运动可以被光脉冲追踪和操纵的时间尺度，而且飞秒脉冲的超短持续时间不足以支持电离过程中热量的产生。这一现象已经在激光材料加工领域得到了广泛研究。在数月之前，多通腔展宽压缩方法在德国电子加速器的自由电子激光器FLASH得到了应用^[1]。这个新系统使得科学家们可以精确探测新型量子材料的分子动力学性质。“使用我们系统的科学家都对它的表现非常满意”Seidel 博士说：“当然，如果这项技术能够在 DESY 和世界各地的许多其他机构进行尖端科学实验，我们会很高兴。”

Heyl 博士的团队最近发布了模拟结果，展示了将该方法扩展到太瓦峰值功率和焦耳级脉冲能量的方案^[2].实现这种能量的量级提升将开启全新的应用领域。Heyl博士说：“正如2018年诺贝尔物理学奖获得者Gérard Mourou所说，光谱展宽和脉冲压缩是通向强场物理研究的关键方法。有了多通腔的技术，他的这种预言可能成型”。我们已经在实验室中建立了第一个基于多通腔的小型粒子加速器。我们预计这一概念也会对未来的放射治疗，甚至对基于激光的核聚变方案产生影响。

Anne-Lise Viotti 博士、Seidel 博士及其同事在Optica评论文章^[3]中介绍了有关应用方法的出色性能以及快速技术进步的更多详细信息。除了解释该方法的基础知识并展示其最先进的技术外，作者还概述了该技术带来的令人兴奋的远景。

参考文献

[1] M. Seidel et al. "Ultrafast MHz‐Rate Burst‐Mode Pump–Probe Laser forthe FLASH FEL Facility Based on Nonlinear Compression of ps‐Level Pulses froman Yb‐Amplifier Chain" Laser & Photonics Reviews 16, 2100268 (2022).
[2] C. M. Heyl et al. "High-energy bow tie multi-pass cells for nonlinearspectral broadening applications" Journal of Physics: Photonics 4, 014002 (2022).
[3] A.-L. Viotti et al. "Multi-pass cells for post-compression ofultrashort laser pulses" Optica 9 (2), 197-216 (2022).

Ultrafast Science，a science partner journal，中国科技期刊卓越行动计划高起点新刊 , 双月刊，由中国科学院主管、中国科学院西安光学精密机械研究所主办。

主编：龚旗煌 院士、赵卫 研究员

办刊宗旨：刊载超快科学研究领域的新理论、新技术、新进展、促进学术交流，推动成果转化，提高我国在该领域的科研水平和国际影响力。　

期刊报道范围为阿秒光源、阿秒物理、超快激光和应用、超快成像、超快光谱、超快诊断、超快材料和探测器、超快太赫兹光子、超快电子、超快化学物理等。欢迎关注及使用期刊出版内容，感谢赐稿！  ISSN 2097-0331    EISSN 2765-8791CN 61-1519/O4

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