新型激光放大突破 10 拍瓦限制

超短强激光具有广泛的应用，包括基础物理、国家安全、工业服务和医疗保健。 在基础物理方面，这些激光器已成为强场激光物理研究的有力工具，特别是激光辐射源、激光粒子加速、真空量子电动力学等。

峰值激光功率显着增加，从 1996 年的 1 拍瓦“Nova”增加到 2017 年“上海超快激光设施”(SULF) 的 10 拍瓦，以及 2019 年“超光基础设施 – 核物理”(ELI-NP) 的 10 拍瓦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”）。 这种转变将高能激光的脉冲持续时间从约 500 飞秒 (fs) 减少到约 25 fs。

然而，超短激光和钛宝石激光的上限似乎为 10 拍瓦。 目前，针对10拍瓦至100拍瓦的发展规划，研究人员普遍放弃钛蓝宝石线性调频放大技术，转而采用基于磷酸二氢钾非线性晶体的参量光学线性调频放大技术。 该技术由于泵浦信号转换效率低、时空光谱功率稳定性差，将对未来10-100拍瓦激光器的实现和应用构成重大挑战。 另一方面，钛：蓝宝石啁啾脉冲放大技术作为已在中国和欧洲成功实现两台10拍瓦激光器的成熟技术，在发展下一阶段超短超强激光器方面仍具有巨大潜力。

钛：蓝宝石晶体是宽带功率级型激光增益介质。 泵浦脉冲被吸收，在高能级和低能级之间建立布居反转，完成能量存储。 当信号脉冲多次穿过钛：蓝宝石晶体时，存储的能量被提取以放大激光信号。 然而，在横向寄生激光器中，沿晶体直径放大的自发发射噪声消耗了存储的能量并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拍瓦激光器。 即使使用较大的钛：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，强大的横向寄生激光呈指数增加。

为了应对这一挑战，研究人员采取了一种创新方法，将多个钛：蓝宝石晶体粘合在一起。 据 Advanced Photonics Nexus 报道该方法突破了超短钛蓝宝石激光器的10拍瓦电流限制，有效增加了整个平铺钛蓝宝石晶体的孔径直径，同时截断了每个平铺晶体内的横向寄生激光。

上海光微机械研究所的通讯作者凌跃新指出，“钛红宝石激光放大已经在我们的100太瓦（即0.1拍瓦）激光系统中成功演示。我们利用这项技术实现了近乎完美的激光放大，包括转换效率高、能量稳定、宽带光谱、短脉冲和小焦点。”

Ling 的团队报告说，使用钛蓝宝石激光器进行相干放大提供了一种简单且相对便宜的方法来突破 10 拍瓦电流限制。 “通过增加高功率钛激光放大器：中国SULF或欧盟ELI-NP中的蓝宝石2×2，10拍瓦电流可提高至40拍瓦，聚焦峰值强度可提高近10拍瓦甚至更多倍”，凌说道。

该方法有望增强超短激光器在强场激光物理方面的实验能力。

有关详细信息，请参阅 Y. Liu、K. Liu 等人撰写的原始 Gold Open Access 文章，“Ti：相干涂层红宝石激光放大：突破当前超高强度激光器10拍瓦极限的方法”，“光子律师。 Nexus 2(6) 066009 (2023)，doi 10.1117/1.APN.2.6.066009。