研究人员开发出一种激光器，可产生迄今为止最强的超短激光脉冲

Josiah02 · 发表于 2024-10-14 15:41:20

激光这个词通常让人联想到高度集中且连续的光束。事实上，产生这种光的激光器非常常见且有用。然而，科学和工业通常也需要非常短且强的激光脉冲。
这些脉冲可用于加工材料或产生高达 X 射线的高谐波频率，这有助于使阿秒范围内（十亿分之一秒）的极快过程可见。
苏黎世联邦理工学院量子电子研究所教授乌尔苏拉·凯勒 (Ursula Keller) 领导的研究小组现已创下此类激光脉冲的新纪录：其平均功率为 550 瓦，比之前的最高功率高出 50% 以上，是激光振荡器有史以来产生的最强脉冲。
同时，这些脉冲极短——持续时间不到一皮秒，即百万分之一秒——并以每秒五百万个脉冲的高速率有规律地从激光器中射出。短脉冲的峰值功率可达 100 兆瓦（理论上，这足以在短时间内为 100,000 个真空吸尘器供电）。
研究人员最近在《光学》杂志上发表了他们的研究成果。
过去 25 年来，凯勒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，其中的激光材料由一个厚度仅为 100 微米的薄盘组成，该薄盘由含有镱原子的晶体组成。
凯勒和她的同事们一次又一次地遇到新的问题，这些问题最初阻碍了功率的进一步提高。经常发生令人震惊的事件，激光器内部的不同部件被毁坏。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。
凯勒实验室的博士生莫里茨·赛德尔解释说：“我们现在实现了更高的功率和5.5 兆赫的脉冲率，这基于两项创新。”首先，他和他的同事使用了一种特殊的镜子排列，将激光器内的光线多次穿过圆盘，然后通过外耦合镜离开激光器。
赛德尔说：“这种安排使我们能够极大地放大光，同时激光也不会变得不稳定。”
第二项创新涉及脉冲激光器的核心：一种由半导体材料制成的特殊镜子，这是凯勒三十年前发明的，其缩写为 SESAM（半导体饱和吸收镜）。与普通镜子不同，SESAM 的反射率取决于照射到其上的光的强度。
借助 SESAM 实现脉冲
研究人员利用 SESAM 诱导激光器发出短脉冲，而不是连续光束。脉冲强度更高，因为光能集中在较短的时间内。激光器要发出激光，其内部的光强度必须超过某个阈值。
这时 SESAM 便可以发挥作用：它反射已经多次穿过放大盘的光，如果光强度较高，反射效率会特别高。因此，激光器会自动进入脉冲模式。
赛德尔说：“到目前为止，要获得与我们现在已经实现的功率相当的脉冲，只能通过激光器外部的几个独立放大器发送较弱的激光脉冲来实现。”
这样做的缺点是放大也会导致更多的噪声，对应功率的波动，这会造成问题，特别是在精密测量中。
为了直接利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问题 - 例如，如何将薄蓝宝石窗口附加到 SESAM 镜的半导体层上，从而大大改善镜子的性能。
“当它最终发挥作用时，我们看到激光如何产生脉冲——那真的很酷，”赛德尔说。
放大器的替代品
乌尔苏拉·凯勒也对这些结果感到兴奋，并表示：“我们......希望能够非常有效地将这些脉冲缩短到几个周期内，这对于产生阿秒脉冲非常重要。”
凯勒表示，新激光器产生的快速而强大的脉冲还可以应用于紫外线至X射线范围内的所谓频率梳，从而可以制造出更加精确的时钟。
凯勒说：“我的梦想是，有一天能够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光长得多，可以用激光产生，然后用于测试材料等。
“总而言之，可以说，通过我们的脉冲激光器，我们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，而且它们能够实现新的、更好的测量，”凯勒说。

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