苏黎世联邦理工学院实验室产生超强、超快的新型激光脉冲 打破世界纪录

破纪录激光器内部一瞥。 图片显示了激光束多次穿过的圆形放大器盘（中心亮点）。 图片来源：Moritz Seidel / 苏黎世联邦理工学院

提到激光，人们通常会联想到一束强大的连续光束。 这种类型的激光确实很常见，而且有很多实际用途。 然而，在科学和工业领域，对极短、极强的激光脉冲也有重要需求。 这些激光脉冲可用于塑造材料或产生延伸到 X 射线范围的高谐波频率，有助于揭示发生在阿秒级（十亿分之一秒）的过程。

最近，由苏黎世联邦理工学院量子电子研究所教授乌苏拉-凯勒（Ursula Keller）领导的研究小组在这一领域取得了重大突破。 他们用激光振荡器产生了有史以来最强大的激光脉冲，平均输出功率达到 550 瓦，比之前的记录高出 50%。 这些脉冲不仅功率惊人，而且持续时间极短，不到一皮秒（百万分之一秒）。 它们以每秒 500 万个脉冲的快速、规则模式发射，每个脉冲的峰值功率可达 100 兆瓦--理论上足以为 10 万台吸尘器短暂供电。 研究小组的研究成果发表在科学杂志Optica上。

在过去的 25 年中，凯勒的研究小组一直致力于不断改进所谓的短脉冲圆盘激光器，在这种激光器中，激光材料由厚度仅为 100 微米的含镱原子的晶体薄盘组成。

凯勒和她的同事们一次又一次地遇到新问题，这些问题最初阻碍了功率的进一步提高。 经常会发生激光器内部不同部件被破坏的惊人事故。 解决了这些问题后，我们获得了新的认识，使在工业应用中也很流行的短脉冲激光器变得更加可靠。

凯勒实验室的博士生莫里茨-塞德尔（Moritz Seidel）解释说："我们现在实现的更高功率和 5.5 兆赫兹脉冲频率的结合，是基于两项创新。 首先，他和他的同事们使用了一种特殊的反射镜排列方式，将激光器内部的光线多次穿过圆盘，然后再通过一个外耦合反射镜离开激光器。这种排列使我们能够极大地放大光线，而不会使激光变得不稳定。"

第二项创新涉及脉冲激光器的核心部件：一种由半导体材料制成的特殊反射镜，早在三十年前就由凯勒发明，其缩写为 SESAM（半导体饱和吸收镜），令人过目难忘。 与普通反射镜不同，SESAM 的反射率取决于照射到它的光的强度。

整个系统的概览： 图像中央为激光器，前景为反射和重定向激光束的透镜和反射镜。 图片来源：Moritz Seidel / ETH Zürich

利用 SESAM，研究人员将激光器哄骗成发出短脉冲，而不是连续光束。 脉冲具有更高的强度，因为光能集中在更短的时间内。 激光器要发出激光，其内部的光强必须超过一定的临界值。 这就是 SESAM 发挥作用的地方：它可以反射已经多次通过放大盘的光线，尤其是在光线强度较高的情况下。 因此，激光会自动进入脉冲模式。

塞德尔说："迄今为止，只有通过激光器外部的多个独立放大器发送较弱的激光脉冲，才能获得与我们现在所获得的功率相当的脉冲。 这样做的缺点是放大后会产生更多的噪音，也就是功率的波动，这尤其会给精确测量带来问题。 为了直接使用激光振荡器产生高功率，研究人员必须解决一系列棘手的技术问题，例如，如何在 SESAM 镜面的半导体层上附加一个薄薄的蓝宝石窗口，这将极大地改善镜面的性能。当它最终成功时，我们看到了激光是如何产生脉冲的--那真是太酷了。"

Lukas Lang（左）和 Moritz Seidl（右）正在安装激光器。 图片来源：Heidi Hofstetter / 苏黎世联邦理工学院

乌苏拉-凯勒（Ursula Keller）对这些成果也感到非常兴奋，并强调说"苏黎世联邦理工学院多年来对我的支持，以及瑞士国家基金对我的研究提供的可靠资助，帮助我和我的合作者取得了这一重大成果。 我们现在还希望能够非常有效地将这些脉冲缩短到几个周期，这对于产生阿秒脉冲非常重要。"

凯勒认为，新型激光器所产生的快速强脉冲还可以应用于紫外线到 X 射线范围内的新型所谓频率梳，从而产生更加精确的时钟。凯勒说："我们的梦想是有一天能证明自然常数并非恒定不变。 此外，太赫兹辐射的波长比可见光或红外线要长得多，可以用激光产生，然后用于测试材料等。总而言之，我们的脉冲激光器表明，激光振荡器是基于放大器的激光系统的良好替代品，而且可以进行新的、更好的测量。"

编译自/SciTechDaily