自1960年激光器的誕生，一個新型的科研領域:非線性光學應運而生。激光特有的受激輻射的相干性從物理上使得光源的強度得到極大的提高。強于傳統非相干光源數一個量級的光強在激光領域得以實現。在強場的驅動下，電子得以突破限制以非諧振的頻率振蕩。從而輻射出“色彩豐富的”激光。以光纖和激光燈絲作為波導而加強光場強度從而產生超寬帶光譜光源的方法在數十年間得到了廣泛的應用。
然而，在激光脈沖本身有非常高能量的前提下，因光纖和激光燈絲的方法由于自身器件損壞，不能保持應有的波導性質而不再適用。在德國電子加速器和耶拿-亥姆霍茲中心的研究者發現了在高能激光條件下適用的光譜展寬方法。這種方法要求使用兩面鏡子對激光進行重新聚焦形成多次反射，并在腔內放置多片非線性玻璃。
近期發表在Ultrafast Science的文章中，研究者們報道了利用這種方法將激光進行頻譜展寬三十倍，并得到脈沖寬度壓縮同樣倍數的實驗結果。這樣的展寬-壓縮顯著提高了激光脈沖的峰值功率。值得一提的是，在實驗中輸入的激光脈沖峰值功率高于玻璃光纖可承受功率極限的40倍。盡管在多次反射腔中脈沖經過的玻璃厚度之和達到了40厘米，但激光的能量和光束質量都沒有明顯下降。
文章的第一作者Marcus Seidel博士說：“我們很好的結合了兩種新型方法擴展了超短脈沖的光譜，盡管實驗裝置相當的簡單。在展寬實驗中的所有器件都是市場上有庫存的標準器件，這些先決條件以及實驗中系統表現出的強抗噪能力為此方法的廣泛應用創造了很好的條件。” 德國電子加速器和耶拿-亥姆霍茲中心青年科研負責人Christoph Heyl博士補充道：“在超快光學領域，高功率激光光源往往只能提供皮秒量級的激光脈沖。我們的研究展現了一種可以將皮秒高能脈沖轉換到數十飛秒區間千兆瓦峰值功率的，小型、高 效且經濟的方法。”
光譜展寬的新型方法示意圖：一束近單色的激光脈沖進入由兩面凹面鏡組成的“多通腔”。腔中的一組非線性玻璃提供了脈沖展寬所需的非線性的同時，由于非線性的影響也在脈沖的傳播中起到了透鏡的作用，輸出光譜將得到極大的展寬。
飛秒量級的時間尺度正是分子運動可以被光脈沖追蹤和操縱的時間尺度，而且飛秒脈沖的超短持續時間不足以支持電離過程中熱量的產生。這一現象已經在激光材料加工領域得到了廣泛研究。在數月之前，多通腔展寬壓縮方法在德國電子加速器的自由電子激光器FLASH得到了應用[1]。這個新系統使得科學家們可以精確探測新型量子材料的分子動力學性質。“使用我們系統的科學家都對它的表現非常滿意”Seidel 博士說：“當然，如果這項技術能夠在 DESY 和世界各地的許多其他機構進行尖端科學實驗，我們會很高興。”
Heyl 博士的團隊最近發布了模擬結果，展示了將該方法擴展到太瓦峰值功率和焦耳級脈沖能量的方案[2].實現這種能量的量級提升將開啟全新的應用領域。Heyl博士說：“正如2018年諾貝爾物理學獎獲得者Gérard Mourou所說，光譜展寬和脈沖壓縮是通向強場物理研究的關鍵方法。有了多通腔的技術，他的這種預言可能成型”。我們已經在實驗室中建立了第一個基于多通腔的小型粒子加速器。我們預計這一概念也會對未來的放射治療，甚至對基于激光的核聚變方案產生影響。
Anne-Lise Viotti 博士、Seidel 博士及其同事在Optica評論文章[3]中介紹了有關應用方法的出色性能以及快速技術進步的更多詳細信息。除了解釋該方法的基礎知識并展示其最先進的技術外，作者還概述了該技術帶來的令人興奮的遠景。
參考文獻
[1] M. Seidel et al. "Ultrafast MHz‐Rate Burst‐Mode Pump–Probe Laser forthe FLASH FEL Facility based on Nonlinear Compression of ps‐Level Pulses froman Yb‐Amplifier Chain" Laser & Photonics Reviews 16, 2100268 (2022).
[2] C. M. Heyl et al. "High-energy bow tie multi-pass cells for nonlinearspectral broadening applications" Journal of Physics: Photonics 4, 014002 (2022).
[3] A.-L. Viotti et al. "Multi-pass cells for post-compression ofultrashort laser pulses" Optica 9 (2), 197-216 (2022).
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