研究人员利用新型激光放大技术打破10 Petawatt功率极限
蓝宝石激光放大技术有望提高超强超短激光在强场激光物理方面的实验能力。超强超短激光的应用范围非常广泛，包括基础物理学、国家安全、工业服务和医疗保健。在基础物理学领域，这类激光器已成为研究强场激光物理的有力工具，特别是在激光驱动辐射源、激光粒子加速、真空量子电动力学等方面。
激光功率和技术的发展
从1996年的1 Petawatt"新星"到2017年的10 Petawatt"上海超强超快激光装置"（SULF）和2019年的10 Petawatt"极光基础设施-核物理"（ELI-NP），激光峰值功率的急剧增加是由于大孔径激光器增益介质的转变（从"掺钕玻璃"到"钛：蓝宝石晶体"）。这一转变将高能激光器的脉冲持续时间从 500 飞秒（fs）左右缩短到 25 fs 左右。
不过，钛：蓝宝石超强超短激光的上限似乎是 10 Petawatt。目前，在 10 至 100 Petawatt的发展规划中，研究人员一般会放弃钛：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参量啁啾脉冲放大技术。
这种技术由于泵浦到信号的转换效率低、时空-光谱-能量稳定性差，将对未来 10-100 Petawatt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，特别是已在中国和欧洲成功实现了两台 10 Petawatt激光器，在下一阶段超强超短激光器的发展中仍有很大潜力。
钛：蓝宝石晶体面临的挑战
钛：蓝宝石晶体是一种能级型宽带激光增益介质。泵浦脉冲被吸收后，在上能级和下能级之间形成种群反转，从而完成能量存储。当信号脉冲多次通过钛：蓝宝石晶体时，存储的能量被提取出来，用于激光信号放大。然而，在横向寄生激光中，沿晶体直径方向的自发辐射噪声被放大，消耗了存储的能量，降低了激光信号的放大率。
目前，钛：蓝宝石晶体的最大孔径只能支持 10 Petawatt激光器。即使使用更大的钛:蓝宝石晶体仍然无法实现激光放大，因为随着钛:蓝宝石晶体尺寸的增大，强烈的横向寄生激光会呈指数级增长。
创新解决方案和未来潜力
为了应对这一挑战，研究人员采取了一种创新方法，即把多个钛：蓝宝石晶体相干地平铺在一起。据 2023 年 12 月 23 日《先进光子学》（Advanced Photonics Nexus）杂志报道，这种方法突破了目前钛：蓝宝石超强超短激光器 10 Petawatt的限制，有效地增大了整个平铺钛：蓝宝石晶体的孔径，还截断了每个平铺晶体内的横向寄生激光。
通讯作者、上海光学精密机械研究所的冷雨欣指出："在我们的 100 Terawatt（即 0.1 Petawatt）激光系统中，成功演示了平铺钛：蓝宝石激光放大。我们利用这项技术实现了接近理想的激光放大效果，包括高转换效率、稳定的能量、宽带光谱、短脉冲和小焦斑"。
团队报告说，相干平铺钛：蓝宝石激光放大技术为超越目前的 10 皮特瓦极限提供了一种相对简单和廉价的方法。"通过在中国的SULF或欧盟的ELI-NP中增加一个2×2相干平铺钛：蓝宝石高能激光放大器，可以将目前的10皮特瓦进一步提高到40皮特瓦，聚焦峰值强度可以提高近10倍甚至更多。"他说。
这种方法有望提高超强超短激光在强场激光物理方面的实验能力。
编译来源：ScitechDaily
