自1960年激光器的誕生，一個(gè)新型的科研領(lǐng)域:非線性光學(xué)應(yīng)運(yùn)而生。激光特有的受激輻射的相干性從物理上使得光源的強(qiáng)度得到極大的提高。強(qiáng)于傳統(tǒng)非相干光源數(shù)一個(gè)量級(jí)的光強(qiáng)在激光領(lǐng)域得以實(shí)現(xiàn)。在強(qiáng)場(chǎng)的驅(qū)動(dòng)下，電子得以突破限制以非諧振的頻率振蕩。從而輻射出“色彩豐富的”激光。以光纖和激光燈絲作為波導(dǎo)而加強(qiáng)光場(chǎng)強(qiáng)度從而產(chǎn)生超寬帶光譜光源的方法在數(shù)十年間得到了廣泛的應(yīng)用。

然而，在激光脈沖本身有非常高能量的前提下，因光纖和激光燈絲的方法由于自身器件損壞，不能保持應(yīng)有的波導(dǎo)性質(zhì)而不再適用。在德國(guó)電子加速器和耶拿-亥姆霍茲中心的研究者發(fā)現(xiàn)了在高能激光條件下適用的光譜展寬方法。這種方法要求使用兩面鏡子對(duì)激光進(jìn)行重新聚焦形成多次反射，并在腔內(nèi)放置多片非線性玻璃。

近期發(fā)表在Ultrafast Science的文章中，研究者們報(bào)道了利用這種方法將激光進(jìn)行頻譜展寬三十倍，并得到脈沖寬度壓縮同樣倍數(shù)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。這樣的展寬-壓縮顯著提高了激光脈沖的峰值功率。值得一提的是，在實(shí)驗(yàn)中輸入的激光脈沖峰值功率高于玻璃光纖可承受功率極限的40倍。盡管在多次反射腔中脈沖經(jīng)過(guò)的玻璃厚度之和達(dá)到了40厘米，但激光的能量和光束質(zhì)量都沒(méi)有明顯下降。

文章的第一作者M(jìn)arcus Seidel博士說(shuō)：“我們很好的結(jié)合了兩種新型方法擴(kuò)展了超短脈沖的光譜，盡管實(shí)驗(yàn)裝置相當(dāng)?shù)暮?jiǎn)單。在展寬實(shí)驗(yàn)中的所有器件都是市場(chǎng)上有庫(kù)存的標(biāo)準(zhǔn)器件，這些先決條件以及實(shí)驗(yàn)中系統(tǒng)表現(xiàn)出的強(qiáng)抗噪能力為此方法的廣泛應(yīng)用創(chuàng)造了很好的條件。” 德國(guó)電子加速器和耶拿-亥姆霍茲中心青年科研負(fù)責(zé)人Christoph Heyl博士補(bǔ)充道：“在超快光學(xué)領(lǐng)域，高功率激光光源往往只能提供皮秒量級(jí)的激光脈沖。我們的研究展現(xiàn)了一種可以將皮秒高能脈沖轉(zhuǎn)換到數(shù)十飛秒?yún)^(qū)間千兆瓦峰值功率的，小型、高 效且經(jīng)濟(jì)的方法?！?/p>

光譜展寬的新型方法示意圖：一束近單色的激光脈沖進(jìn)入由兩面凹面鏡組成的“多通腔”。腔中的一組非線性玻璃提供了脈沖展寬所需的非線性的同時(shí)，由于非線性的影響也在脈沖的傳播中起到了透鏡的作用，輸出光譜將得到極大的展寬。

飛秒量級(jí)的時(shí)間尺度正是分子運(yùn)動(dòng)可以被光脈沖追蹤和操縱的時(shí)間尺度，而且飛秒脈沖的超短持續(xù)時(shí)間不足以支持電離過(guò)程中熱量的產(chǎn)生。這一現(xiàn)象已經(jīng)在激光材料加工領(lǐng)域得到了廣泛研究。在數(shù)月之前，多通腔展寬壓縮方法在德國(guó)電子加速器的自由電子激光器FLASH得到了應(yīng)用[1]。這個(gè)新系統(tǒng)使得科學(xué)家們可以精確探測(cè)新型量子材料的分子動(dòng)力學(xué)性質(zhì)。“使用我們系統(tǒng)的科學(xué)家都對(duì)它的表現(xiàn)非常滿意”Seidel 博士說(shuō)：“當(dāng)然，如果這項(xiàng)技術(shù)能夠在 DESY 和世界各地的許多其他機(jī)構(gòu)進(jìn)行尖端科學(xué)實(shí)驗(yàn)，我們會(huì)很高興?！?/p>

Heyl 博士的團(tuán)隊(duì)最近發(fā)布了模擬結(jié)果，展示了將該方法擴(kuò)展到太瓦峰值功率和焦耳級(jí)脈沖能量的方案[2].實(shí)現(xiàn)這種能量的量級(jí)提升將開(kāi)啟全新的應(yīng)用領(lǐng)域。Heyl博士說(shuō)：“正如2018年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者Gérard Mourou所說(shuō)，光譜展寬和脈沖壓縮是通向強(qiáng)場(chǎng)物理研究的關(guān)鍵方法。有了多通腔的技術(shù)，他的這種預(yù)言可能成型”。我們已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室中建立了第一個(gè)基于多通腔的小型粒子加速器。我們預(yù)計(jì)這一概念也會(huì)對(duì)未來(lái)的放射治療，甚至對(duì)基于激光的核聚變方案產(chǎn)生影響。

Anne-Lise Viotti 博士、Seidel 博士及其同事在Optica評(píng)論文章[3]中介紹了有關(guān)應(yīng)用方法的出色性能以及快速技術(shù)進(jìn)步的更多詳細(xì)信息。除了解釋該方法的基礎(chǔ)知識(shí)并展示其最先進(jìn)的技術(shù)外，作者還概述了該技術(shù)帶來(lái)的令人興奮的遠(yuǎn)景。

參考文獻(xiàn)

[1] M. Seidel et al. "Ultrafast MHz‐Rate Burst‐Mode Pump–Probe Laser forthe FLASH FEL Facility based on Nonlinear Compression of ps‐Level Pulses froman Yb‐Amplifier Chain" Laser & Photonics Reviews 16, 2100268 (2022).

[2] C. M. Heyl et al. "High-energy bow tie multi-pass cells for nonlinearspectral broadening applications" Journal of Physics: Photonics 4, 014002 (2022).

[3] A.-L. Viotti et al. "Multi-pass cells for post-compression ofultrashort laser pulses" Optica 9 (2), 197-216 (2022).