基于玻璃窗片的光谱展宽新方案有望提高飞秒脉冲峰值功率至太瓦量级

自1960年第一台激光器问世之后的，非线性光学研究领域迅速诞生。激光辐射的基本物理过程中，受激辐射独特的相干性，使光源强度更高，是非相干源的几个数量级倍。高激光强度下，电子的振荡频率往往与驱动光场的振荡频率不同，其偶极子发射包括非常丰富的物理过程和现象。几十年以来，为了最大限度发挥非线性光学特点，光纤一直被用作波导以产生频谱带宽极宽的光脉冲。

然而，如果激光脉冲能量过高超过光纤的损伤阈值时，光纤就会遭受破坏，损伤激光辐射的空间特性。来自德国汉堡的德国电子同步加速器研究中心和德国耶拿的亥姆霍兹研究所的研究人员给出了一种以能量可扩展的方式引导光线的新方法。新方法中使用了两个聚焦透镜和空间间隔非常薄的非线性玻璃窗片。该研究目前已发表于Ultrafast Science。

产生宽带光脉冲的新方案的示意图。

该方案将光脉冲的频谱带宽提高了30倍以上。经过压缩后，脉冲的持续时间能够进一步降低，从而峰值功率进一步提高。在实验中使用的激光脉冲的峰值功率是光纤破坏阈值的40倍。然而，尽管光束穿过了长度约40厘米的玻璃，光束质量和脉冲能量仍然很高。该方案巧妙地结合了两种常用的方法来扩展超短脉冲的带宽，并仅使用了简单的光学设置。

耶拿亥姆霍兹研究所的研究人员表示，超快激光技术发展的一个明显趋势就是提高脉冲峰值功率。然而，目前高平均功率的激光源往往只能输出持续时间皮秒级的脉冲。他们的方法提出了一种能量高、尺寸小和成本效益高的方法，实现了峰值功率为千兆瓦持续时间几十飞秒的飞秒脉冲源。

飞秒脉冲超短的持续时间能够用于跟踪和操纵分子运动。此外，飞秒脉冲的脉冲持续时间短于电声弛豫时间，能够避免电离材料后在材料内部的热过程，所以被广泛用于高精度的微纳加工。此文的脉冲压缩方法已经用于对新型量子材料的分子动力学进行精确的研究。

根据最近的模拟结果，该方法还有望将脉冲峰值功率提高到太瓦级，脉冲能量提高到焦耳量级。这种巨大的能量将为更多全新的科研研究和实际应用奠定基础。

2018年诺贝尔奖获得者杰拉德-穆鲁已提出，光谱增宽和脉冲压缩是推进强场物理学研究的关键方法。基于此，研究人员以及使用该脉冲放大方法在实验室里建立了第一个紧凑的多通道细胞型粒子加速器，并计划用于研究放射治疗，以及基于激光的核聚变过程。