近日，苏黎世联邦理工学院的研究人员开发出一种能够产生迄今为止最强超短激光脉冲的激光器。未来，这种高功率脉冲可用于精密测量和材料加工。
提到激光，人们通常会想到一束强烈聚焦的连续光束。实际上，产生这种光的激光器十分常见且实用。然而，在科学和工业领域，往往需要非常短而强的激光脉冲。这些脉冲可用于材料加工或产生高达 X 射线频率的高次谐波，从而使阿秒级（10-18 s）的超快过程得以观测。
由苏黎世联邦理工学院量子电子学研究所Ursula Keller教授领导的研究团队，创造了此类激光脉冲的新纪录：平均功率为550 W，比此前的最大值高出50%以上，成为迄今为止由激光振荡器产生的最强脉冲。同时，这些脉冲的持续时间极短，甚至不到1 ps（即10-12 s），并以每秒500万个脉冲的高频率有序输出。这些短脉冲的峰值功率可达100 MW（理论上，足以在短时间内为10万台吸尘器供电）。相关研究成果于近日发表在在Optica上（doi: external page10.1364/OPTICA.529185）。
图源：Moritz Seide/ 苏黎世联邦理工学院
在过去的25年里，Ursula Keller教授的研究小组一直致力于不断改进所谓的短脉冲盘片激光器。这种激光器的激光材料是一个厚度仅为100 μm的薄圆盘，圆盘中的晶体含有镱原子。
Ursula Keller
Ursula Keller和她的同事们一次次遇到新的问题，这些问题最初阻碍了功率的进一步提升。激光器内部的不同部件经常会发生破坏性的故障。解决这些问题带来了新的启示，使在工业应用中也很受欢迎的短脉冲激光器变得更加可靠。
Ursula Keller实验室的博士生Moritz Seide解释道：“我们现在实现的更高功率和5.5 MHz脉冲频率的结合，基于两项创新。”首先，他和同事们采用了一种特殊的反射镜排列，使激光在激光器内部多次穿过盘片，然后通过一个外耦合反射镜离开激光器。Moritz Seide说：“这种布置使我们能够在激光器不稳定的情况下极大地放大光。”
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，早在三十年前由Ursula Keller发明，缩写为SESAM（半导体可饱和吸收镜）。与普通反射镜不同，SESAM的反射率取决于照射光的强度。
整个系统概览：激光器位于图像中央，前景中的透镜和反射镜用于反射和引导激光束
借助 SESAM，研究人员可以诱导激光器发出短脉冲，而非连续光束。由于光能量集中在更短的时间内，脉冲具有更高的强度。为了使激光器产生激光，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：它能反射已经在碟片放大器中多次通过的光，特别是在光强较高时。因此，激光器会自动进入脉冲模式。
Moritz Seide说：“迄今为止，只有通过在激光器外部使用多个独立的放大器放大较弱的激光脉冲，才能获得与我们现在所达到的功率相当的脉冲。”这种方法的缺点是，放大过程会引入更多噪声，也就是功率的波动，这对精密测量尤其不利。为了直接用激光振荡器产生高功率，研究人员必须解决许多棘手的技术难题，例如，如何在SESAM反射镜的半导体层上附加一个薄的蓝宝石窗口，从而大大改善反射镜的性能。Moritz Seide说：“当我们最终成功时，看到激光是如何产生脉冲的，真是太酷了。”
图源：Heidi Hofstetter / 苏黎世联邦理工学院
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，以及瑞士国家科学基金会对我研究的持续资助，帮助我和我的合作者取得了这一重大突破。我们现在希望能够非常高效地将这些脉冲缩短到几个光学周期，这对于产生阿秒脉冲至关重要。”
Ursula Keller认为，由新型激光器实现的快速强脉冲，还可应用于紫外到 X 射线范围的新型频率梳，有望推动更精确时钟的发展。Moritz Seide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，可以通过激光产生，然后用于材料测试等。Ursula Keller总结道：“总之，我们的脉冲激光器已经证明，激光振荡器是基于放大器的激光系统的良好替代品，并且可以实现新的、更好的测量。”
原文链接：
https://ethz.ch/en/news-and-events/eth-news/news/2024/10/record-breaking-laser-pulses.html
END
扫描
微信矩阵
了解更多精彩
中国激光杂志社
爱光学
光电汇
