破纪录的激光脉冲

诸平

Fig. 1 A peek inside the record-breaking laser. The image shows the round amplifier disk, through which the laser beam passes several times (bright spot at the centre). (Image: Moritz Seidel / ETH Zurich)

Fig. 2 An overview of the entire system: The laser can be seen in the centre of the image, with lenses and mirrors in the foreground that reflect and redirect the laser beam. (Image: Moritz Seidel / ETH Zürich)

Fig. 3 Lukas Lang (left) and Moritz Seidl (right) setting up the laser. (Image: Heidi Hofstetter / ETH Zurich)

据瑞士苏黎世联邦理工学院（Swiss Federal Institute of Technology Zurich, ETHZ, Zurich, Switzerland）2024年10月11日提供的消息，破纪录的激光脉冲（Record-breaking laser pulses）。

苏黎世联邦理工学院的研究人员已经开发出一种激光器，可以产生迄今为止最强的超短激光脉冲。在未来，这种高功率脉冲可以用于精密测量或材料加工。

激光（laser）这个词通常会让人联想到强烈集中的连续光束。实际上，产生这种光的激光器是非常常见和有用的。然而，科学和工业也经常需要非常短而强的激光脉冲。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（high harmonic frequencies），这有助于在阿秒（attosecond, 1 as=10^-18 s）范围内看到极快的过程。

由瑞士苏黎世联邦理工学院量子电子学研究所(Institute for Quantum Electronics, Department of Physics, ETH Zurich, Zurich, Switzerland)教授乌苏拉·凯勒（Ursula Keller）领导的苏黎世联邦理工学院（ETH Zurich）的一组研究人员,现在创造了这种激光脉冲的新纪录：平均功率为550 W，比之前的最大值高出50%以上，这使它们成为激光振荡器产生的最强脉冲。同时，它们非常短——持续时间不到1皮秒(1 ps=10^-12 s)——并且以每秒500万个脉冲的高速率以规律的顺序从激光中射出。短脉冲的峰值功率达到100兆瓦（100 megawatts, 100 MW）。理论上，这足以在短时间内为10万台真空吸尘器供电。相关研究结果于2024年9月23日已经在《光学》（Optica）杂志网站在线发表——Moritz Seidel, Lukas Lang, Christopher R. Phillips, Ursula Keller. Ultrafast 550-W average-power thin-disk laser oscillator. Optica, 2024, 11(10): 1368-1375. DOI: 10.1364/OPTICA.529185. Published 23 September 2024. https://doi.org/10.1364/OPTICA.529185

“这一记录是一段漫长而激动人心的旅程的结果，伴随着许多有趣的激光物理学。”

在过去的25年里，乌苏拉·凯勒的研究小组一直致力于不断改进所谓的短脉冲圆盘激光器（short pulsed disk lasers），其中激光材料由一个只有100微米（100 μm）厚的薄片组成，其中含有镱(ytterbium, Yb)原子的晶体。

一次又一次，乌苏拉·凯勒和她的同事们遇到了新的问题，这些问题最初阻碍了功率的进一步增加。很多时候，激光器内部的不同部分被破坏的壮观事件发生了。这些问题的解决带来了新的见解，使在工业应用中也很流行的短脉冲激光器更加可靠。

乌苏拉·凯勒实验室的博士生莫里茨·塞德尔（Moritz Seidel）解释说：“我们现在已经实现的更高功率和5.5兆赫（5.5 MHz）脉冲率的结合，是基于两项创新。”首先，莫里茨·塞德尔和他的同事们使用了一种特殊的反射镜布置，使激光内部的光多次穿过圆盘，然后再通过一个非耦合反射镜离开激光器。莫里茨·塞德尔说：“这种安排使我们能够极大地放大激光，而不会使激光变得不稳定。”

第二个创新涉及到脉冲激光器的核心：一种由半导体材料制成的特殊反射镜，这种反射镜早在30年前就由乌苏拉·凯勒发明了，它的缩写是SESAM即半导体可饱和吸收镜（Semiconductor Saturable Absorber Mirror）。与普通镜子不同，SESAM的反射率取决于入射光的强度。

多亏了SESAM(Pulses thanks to SESAM)

利用SESAM，研究人员诱导他们的激光器发出短脉冲，而不是连续光束。这些脉冲具有较高的强度，因为光能在较短时间周期内集中。要使激光器发出激光，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：它反射已经通过放大盘多次的光，如果光强度高，效率特别高。结果，激光自动进入脉冲模式。

莫里茨·塞德尔说：“到目前为止，我们只能通过在激光器外的几个单独的放大器发送较弱的激光脉冲来实现与我们现在实现的脉冲相当的功率。”这样做的缺点是，放大也会导致更多的噪声，对应于功率的波动，这会导致问题，特别是在精密测量中。为了直接使用激光振荡器产生高功率的激光，研究人员必须解决一些棘手的技术问题——例如，如何在SESAM反射镜的半导体层上附着一个薄的蓝宝石窗口，这将大大提高反射镜的性能。莫里茨·塞德尔说：“当它最终工作时，我们看到了激光是如何产生脉冲的——这真的很酷。”

放大器的替代品(Alternative to amplifiers)

乌苏拉·凯勒也对这些结果感到兴奋，并强调：“苏黎世联邦理工学院多年来的支持以及瑞士国家科学研究基金对我的研究的可靠资助，帮助我和我的合作者取得了这一伟大成果。我们现在还期望能够非常有效地将这些脉冲缩短到几个周期的范围内，这对于创制阿秒脉冲非常重要。”

根据乌苏拉·凯勒的说法，这种新型激光器产生的快速强脉冲，也可以应用于紫外线到X射线的新型频率梳(frequency combs)，这可能会导致更精确的时钟。乌苏拉·凯勒说：“我的梦想是有朝一日证明自然常数并不是恒定的。”

此外，波长比可见光或红外光长得多的太赫兹辐射（terahertz radiation）可以用激光产生，然后用于测试材料等。“总而言之，我们可以说，通过我们的脉冲激光器，我们已经证明了激光振荡器是基于放大器的激光系统的一个很好的替代方案，并且它们能够实现新的和更好的测量”， 乌苏拉·凯勒总结道。

本研究得到了瑞士国家科学研究基金会{Schweizerischer Nationalfonds zur Förderung der Wissenschaftlichen Forschung (200020_200416)}的资助。

上述介绍，仅供参考。欲了解更多信息，敬请注意浏览原文或者相关报道。

Abstract

SESAM modelocked oscillators are interesting for applications in strong-field physics such as high-harmonic generation and attosecond science at high repetition rates or frequency combs in the ultraviolet. Here we present a SESAM modelocked ultrafast thin-disk laser oscillator providing 550 W of average output power with 852 fs pulses at 5.5 MHz repetition rate. To reach this significant power scaling, a replicating cavity design for modelocked oscillators is utilized. The oscillator delivers 103 MW of peak power with a pulse energy of 100 μJ at a beam quality of M²<1.2, with a high optical-to-optical efficiency of 35%. The advances in SESAM design and manufacturing that enabled this result are discussed, as well as practical challenges when scaling oscillators to the kW-class. When combined with established pulse compression technologies, this oscillator can enable simpler systems by avoiding the complexity of chirped pulse amplifier chains. Additionally, high power oscillators support a much lower noise floor due to the reduced influence of shot noise, which may provide a route to more sensitive pump-probe measurements.