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

摘要:

苏黎世联邦理工学院的研究人员开发出一种激光器,它能产生迄今为止最强的超短激光脉冲。 未来,这种高功率脉冲可用于精密测量或材料加工。它可以产生峰值功率高达 100 兆瓦、平均功率为 550 瓦的极短脉冲。之所以能做到这一点,是因为优化了激光器中反射镜的排列,并改进了一种特殊的反射镜,从而使激光器发出脉冲。未来,这些破纪录的激光脉冲可用于精密测量等方面。

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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。

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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。"

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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

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