新型激光放大器突破10拍瓦极限

超强超短激光具有广泛的应用范围，包括基础物理、国家安全、工业服务和医疗保健。在基础物理中，这种激光已成为研究强场激光物理的强大工具，特别是用于激光驱动辐射源、激光粒子加速、真空量子电动力学等。

激光峰值功率从1996年的1拍瓦“Nova”到2017年的10拍瓦“SULF”和2019年的10拍瓦“ELI-NP”急剧增加，是由于大孔径激光器的增益介质发生了变化（从掺钕玻璃到钛：蓝宝石晶体）。这种转变将高能激光器的脉冲持续时间从约500飞秒（fs）缩短到约25 fs。

然而，钛蓝宝石超强超短激光器的上限似乎是10拍瓦。目前，对于10拍瓦到100拍瓦的发展规划，研究人员通常放弃钛蓝宝石啁啾脉冲放大技术，转而采用基于氘化磷酸二氢钾非线性晶体的光学参量啁啾脉冲放大技术。由于该技术泵浦-信号转换效率低，时空-光谱-能量稳定性差，将对未来10-100拍瓦激光器的实现和应用构成巨大挑战。

另一方面，钛蓝宝石啁啾脉冲放大技术作为一项成熟的技术，已在中国和欧洲成功实现了两台10拍瓦激光器，在超强超短激光器的下一阶段发展中仍具有巨大潜力。

钛：蓝宝石晶体是一种能级型宽带激光增益介质。泵浦脉冲被吸收，在上能级和下能级之间建立粒子数反转，从而完成能量储存。当信号脉冲多次通过钛：蓝宝石晶体时，储存的能量被提取出来用于激光信号放大。然而，在横向寄生激光中，沿晶体直径的放大自发辐射噪声消耗了储存的能量，降低了信号激光放大。

目前，钛：蓝宝石晶体的最大孔径只能支持10拍瓦的激光。即使使用更大的钛：蓝宝石晶体，激光放大仍然是不可能的，因为随着钛：蓝宝石晶体尺寸的增加，强烈的横向寄生激光呈指数级增长。

为了应对这一挑战，研究人员采取了一种创新的方法，将多个钛：蓝宝石晶体连贯地拼接在一起。正如Advanced Photonics Nexus所报道的那样，这种方法突破了目前钛：蓝宝石超强超短激光的10拍瓦限制，有效地增加了整个拼接钛：蓝宝石晶体的孔径直径，并截断了每个拼接晶体内的横向寄生激光。

拼接钛：蓝宝石激光放大器

通讯作者、上海光学精密机械研究所冷雨欣指出：“我们100太瓦（即0.1拍瓦）的激光系统成功演示了拼接钛宝石激光放大。我们使用该技术实现了近乎理想的激光放大，包括高转换效率、稳定的能量、宽带光谱、短脉冲和小焦点。”

冷雨欣的团队报告称，连贯拼接的钛蓝宝石激光放大器提供了一种相对简单廉价的方法，可以超越目前的10拍瓦极限。

冷雨欣说：“通过在中国SULF或欧盟ELI-NP中添加2×2相干拼接的钛：蓝宝石高能激光放大器，可以将目前的10拍瓦进一步增加到40拍瓦，聚焦峰值强度可以增加近10倍或更多”。

该方法有望增强超强超短激光在强场激光物理中的实验能力。

相关链接：https://phys.org/news/2024-01-petawatt-limit-laser-amplification.html