01
導讀
近日，由俄羅斯科學院應用物理研究所、加拿大魁北克國立科學研究院和法國巴黎高等理工學院組成的國際聯合研究團隊展示了一種提高激光強度的創新技術。該技術采用基于光脈沖壓縮的方法，在非常短的脈沖持續時間內實現了高功率（達到千兆瓦量級，1015W）激光脈沖輸出。該技術成為提升激光強度的又一新方法，達到觀察到量子電動力學現象的“新型物理學的極限強度”。
這項工作作為封面文章，在2020年6月的“ Applied Physics Letters ”中進行了報道，作者為加拿大國立科學研究院Jean-Claude Kieffer教授及2018年諾貝爾物理學獎得主Gérard Mourou。
Applied Physics Letters 第116卷，第24期，封面
02
背景介紹
激光于20世紀60年代誕生，與原子能、計算機、半導體并稱為新時代科技領域中的“四大發明”。激光在物理學、工業制造、天文學、生物醫學、光通信、信息技術、軍事等領域有著極其廣泛的應用，影響了人類生活的各個方面，如激光切割、眼科飛秒、精密加工和掃描成像等。
隨著激光發明的發展，人們致力于提升激光器的功率以應用到更多的領域。1985年，Gérard Mourou和Donna Strickland共同發明了啁啾脈沖放大（CPA）技術。CPA技術的原理是放大前在頻域上分散激光種子脈沖的能量，放大后再進行集中，最終壓縮成高功率短脈沖的激光，此技術將激光功率提高了1000倍，達到TW量級。Gérard Mourou和Donna Strickland因CPA技術于2018年獲得了諾貝爾物理學獎，以表彰他們在激光物理學領域的突破性進展。
CPA技術是是實現高峰值功率激光的最佳手段，自該技術發明以來，超短脈沖的激光功率急劇增加，并達到近年來的極限值。目前，國際上許多研究小組正在嘗試進一步放大激光的能量以增加其功率，但是這種方法價格昂貴，并且需要不斷增加激光晶體的體積以及光束和光學器件的尺寸（超過1米）。
03
創新研究
在本文中，作者避免了前人通過增加激光能量提高功率的方法，而是采用壓縮脈沖寬度的技術路線實現峰值功率的提升。隨著激光脈沖壓縮技術的發展，薄膜壓縮能夠支持更高功率的激光脈沖。激光脈沖薄膜壓縮技術（Thin Film Compression, TFC）是將具有高能量的激光脈沖通過無涂層熔融石英晶片薄膜后實現光譜展寬，從而減小時域脈沖時間，以此提高激光的峰值功率。
圖1. 基于薄片壓縮技術實現千兆瓦量級的高功率激光脈沖
圖片來源：INRS
本文將激光脈沖壓縮技術中薄膜壓縮的概念擴展到薄板，使用商業化的鈦寶石激光器演示了TFC方法的應用，實現了中心波長為800 nm的寬帶強激光脈沖從24 fs到13 fs的時間壓縮，獲得了千兆瓦量級激光脈沖輸出，上述方法有效降低了系統尺寸和運營成本。
圖2. (a) 脈寬壓縮前的激光功率分布；(b) 脈寬壓縮后的激光功率分布
圖片來源：Appl. Phys. Lett. 116, 241101 (2020)（Fig.2）
本文作者Kieffer教授對這一成果作出評價：“我們將成為世界上第一個使用具有如此短脈沖的激光來獲得這種高功率水平的國家之一。”本文的另一位作者，諾貝爾獎得主Gérard Mourou教授總結說：“如果我們能夠通過壓縮脈沖寬度的方法獲得高功率激光輸出，它將帶領我們進入相對論領域的研究范疇。這是一個非常有趣的方向，具有將科學界帶入新視野的潛力。”
圖3. 本文作者加拿大國立科學研究院Jean-Claude Kieffer教授
圖片來源：INRS
04
應用與展望
本文作者利用了非線性光學效應，進一步壓縮激光的脈沖寬度，獲得了千兆瓦（1015W）量級的高功率激光輸出。上述工作可以幫助人們觀察到量子電動力學現象，并進入相對論領域的研究范疇。
05
文章信息
相關成果以“ Thin plate compression of a sub-petawatt Ti:Sa laser pulses ”為題，發表于 Applied Physics Letters 。
原文地址 https://doi.org/10.1063/5.0008544
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