超短激光脉冲使阿秒成像成为可能

两位RIKEN物理学家已经实现了峰值功率为6太瓦（6万亿瓦）的极短激光脉冲，大致相当于6000座核电站的功率。这一成就将有助于进一步发展阿秒激光器，为此，三名研究人员获得了 2023 年诺贝尔物理学奖。这项工作发表在《自然·光子学》杂志上。

就像相机闪光灯可以“冻结”快速移动的物体，使它们在照片中看起来好像静止不动一样，极短的激光脉冲可以帮助照亮超快的过程，为科学家提供一种强大的成像和探测方法。

例如，阿秒量级的激光脉冲（1阿秒=10^-18秒）非常短，以至于它们可以揭示原子和分子中电子的运动，从而为发现化学和生化反应如何演变提供了一种新方法。即使是光似乎也在如此短的时间尺度上爬行，穿过一个纳米大约需要3阿秒。

RIKEN先进光子学中心（RAP）的Eiji Takahashi说：“通过使捕获电子运动成为可能，阿秒激光器为基础科学做出了重大贡献。它们有望用于广泛的领域，包括观察生物细胞，开发新材料和诊断医疗状况。”

力量和冲击力

但是，虽然可以产生超短激光脉冲，但它们缺乏很大的冲击力，能量低。产生超短且高能量的激光脉冲将大大扩展其可能的用途。Takahashi说：“阿秒激光器的电流输出能量极低，因此，如果要将它们用作广泛领域的光源，那么增加它们的输出能量至关重要。”

正如音频放大器用于增强声音信号一样，激光物理学家使用光学放大器来增加激光脉冲的能量。这些放大器通常采用对光表现出特殊响应的非线性晶体。但是，如果这些晶体用于放大单周期激光脉冲，它们可能会受到不可挽回的损坏，这些脉冲非常短，以至于脉冲在光可以通过整个波长周期振荡之前就结束了。

Takahashi解释说：“高能、超快红外激光源开发的最大瓶颈是缺乏直接放大单周期激光脉冲的有效方法。这个瓶颈导致了单周期激光脉冲能量的一毫焦耳屏障。”

新纪录

现在，高桥和RAP的同事陆旭不仅跨越了这个障碍，而且已经突破了它。他们将单周期脉冲放大到50毫焦耳以上，是以前最佳功率的50倍以上。由于产生的激光脉冲非常短，因此这种能量可以转化为数太瓦的令人难以置信的高功率。

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Takahashi说：“我们已经展示了如何通过建立一种有效的方法来放大单周期激光脉冲来克服瓶颈”。

他们的方法称为高级双啁啾光学参量放大（DC-OPA），非常简单，仅涉及两个晶体，可放大光谱的互补区域。

Takahashi说：“用于放大单周期激光脉冲的先进DC-OPA非常简单，仅基于两种非线性晶体的组合，感觉就像是任何人都可以想出的想法。令我惊讶的是，如此简单的概念提供了一种新的放大技术，并在高能超快激光器的发展中取得了突破。”

重要的是，先进的DC-OPA可以在非常宽的波长范围内工作。Takahashi和Xu能够放长相差超过两倍的脉冲。Takahashi说：“这种新方法具有革命性的特点，即可以在不影响输出能量缩放特性的情况下使放大带宽超宽”。

扩增技术

他们的技术是另一种光脉冲放大技术的变体，称为“啁啾脉冲放大”，来自美国、法国和加拿大的三名研究人员因此获得了 2018 年诺贝尔物理学奖。2018 年和 2023 年的奖项之间存在有趣的联系，因为啁啾脉冲放大是促成阿秒激光器开发的技术之一。

Takahashi预计，他们的技术将进一步推动阿秒激光器的发展。他说：“我们已经成功地开发了一种新的激光放大方法，可以将单周期激光脉冲的强度提高到太瓦级的峰值功率。这无疑是高功率阿秒激光器发展的重大飞跃。”

从长远来看，他的目标是超越阿秒激光，创造更短的脉冲。

他说：“通过将单周期激光器与高阶非线性光学效应相结合，很可能产生时间宽度为泽秒（1泽秒= 10^-21秒）的光脉冲。我的长期目标是敲开齐秒激光研究的大门，开启继阿秒激光之后的下一代超短激光。”

相关链接：https://phys.org/news/2024-04-attosecond-imaging-short-powerful-laser.html

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41566-023-01331-9