超强、超快：新型激光脉冲打破世界纪录

苏黎世联邦理工学院的研究人员已经开发出一种激光器，可以产生迄今为止最强的超短激光脉冲。在未来，这种高功率脉冲可以用于精密测量或材料加工。

研究人员已经开发出一种激光器，它可以产生极短的脉冲，峰值功率高达100兆瓦，平均功率为550瓦。

这是通过优化激光器中反射镜的排列和改进一种特殊反射镜来实现的，这种反射镜可以使激光发射脉冲。

例如，在未来，这些破纪录的激光脉冲可用于精确测量。

先进激光技术

当人们想到激光时，他们通常会想到一束强大的、连续的光。这些类型的激光器确实很常见，并服务于许多实际用途。然而，在科学和工业中，对激光的需求也是至关重要的，这种激光需要非常短的、强烈的脉冲。这些激光脉冲可用于塑造材料或产生延伸到X射线范围的高次谐波频率，有助于揭示阿秒级（十亿分之一秒）发生的过程。

破纪录的激光脉冲

最近，苏黎世联邦理工学院量子电子学研究所教授乌苏拉·凯勒（Ursula Keller）领导的一个研究小组在这一领域取得了重大突破。他们创造了有史以来由激光振荡器产生的最强大的激光脉冲，平均输出功率为550瓦，比之前的记录高出50%以上。这些脉冲不仅非常强大，而且非常短暂，持续时间不到一皮秒（百万分之一秒）。它们以每秒500万个脉冲的快速规律模式发射，每个脉冲的峰值功率高达100兆瓦，理论上足以为10万台真空吸尘器短暂供电。该团队的研究结果发表在科学杂志《光学》上。

“这一记录是一段漫长而激动人心的旅程的结果，伴随着许多有趣的激光物理学。”
乌苏拉·凯勒

激光设计的改进

在过去的25年里，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，其中激光材料由一个只有100微米厚的薄片组成，其中含有镱原子的晶体。

一次又一次，凯勒和她的同事们遇到了新的问题，这些问题最初阻碍了能量的进一步增加。激光器内部不同部件被破坏的壮观事件经常发生。解决这些问题带来了新的见解，使短脉冲激光器（在工业应用中也很受欢迎）更加可靠。

激光脉冲产生的创新

凯勒实验室的博士生莫里茨·塞德尔解释说：“我们现在已经实现的更高功率和5.5兆赫脉冲率的结合，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布置，使激光内部的光多次穿过圆盘，然后再通过一个非耦合反射镜离开激光。塞德尔说：“这种安排使我们能够极大地放大光，而不会使激光变得不稳定。”

第二个创新与脉冲激光器的核心部分有关：一种由半导体材料制成的特殊反射镜，这种反射镜早在30年前就由凯勒发明了，它的缩写是SESAM（半导体可饱和吸收镜）。与普通镜子不同，SESAM的反射率取决于入射光的强度。

多亏了SESAM

利用SESAM，研究人员诱导他们的激光器发出短脉冲，而不是连续光束。脉冲具有较高的强度，因为光能在较短的时间内集中。要使激光器发出激光，其内部的光强必须超过一定的阈值。这就是SESAM发挥作用的地方：它反射已经通过放大盘多次的光，如果光强度高，效率特别高。结果，激光自动进入脉冲模式。

塞德尔说：“到目前为止，我们只能通过在激光器外部的几个单独的放大器发送较弱的激光脉冲来实现与我们现在实现的脉冲相当的功率。”这样做的缺点是，放大也会导致更多的噪声，对应于功率的波动，这会导致问题，特别是在精密测量中。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些棘手的技术问题——例如，如何在SESAM反射镜的半导体层上附着一个薄的蓝宝石窗口，这将大大提高反射镜的性能。“当它最终工作时，我们看到了激光是如何产生脉冲的 —— 这真的很酷，”塞德尔说。

替代应用和未来展望

乌苏拉·凯勒也对这些结果感到兴奋，并强调：“苏黎世联邦理工学院多年来的支持以及瑞士国家基金对我的研究的可靠资助，帮助我和我的合作者取得了这一伟大成果。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，这对于创造阿秒脉冲非常重要。”

根据乌苏拉·凯勒的说法，这种新型激光器产生的快速强脉冲也可以应用于紫外线到X射线的新型频率梳，这可能会导致更精确的时钟。凯勒说：“我的梦想是有一天证明自然常数并不是恒定的。”此外，波长比可见光或红外光长得多的太赫兹辐射可以用激光产生，然后用于测试材料等。“总而言之，我们可以说，通过我们的脉冲激光器，我们已经证明了激光振荡器是基于放大器的激光系统的一个很好的替代方案，并且它们能够实现新的和更好的测量，”凯勒总结道。

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