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。該技術采用基於(yu) 光脈衝(chong) 壓縮的方法，在非常短的脈衝(chong) 持續時間內(nei) 實現了高功率（達到千兆瓦量級，1015W）激光脈衝(chong) 輸出。該技術成為(wei) 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(wei) 封麵文章，在2020年6月的“ Applied Physics Letters ”中進行了報道，作者為(wei) 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，封麵
02
背景介紹
激光於(yu) 20世紀60年代誕生，與(yu) 原子能、計算機、半導體(ti) 並稱為(wei) 新時代科技領域中的“四大發明”。激光在物理學、工業(ye) 製造、天文學、生物醫學、光通信、信息技術、軍(jun) 事等領域有著極其廣泛的應用，影響了人類生活的各個(ge) 方麵，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(men) 致力於(yu) 提升激光器的功率以應用到更多的領域。1985年，Gérard Mourou和Donna Strickland共同發明了啁啾脈衝(chong) 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衝(chong) 的能量，放大後再進行集中，最終壓縮成高功率短脈衝(chong) 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技術於(yu) 2018年獲得了諾貝爾物理學獎，以表彰他們(men) 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，超短脈衝(chong) 的激光功率急劇增加，並達到近年來的極限值。目前，國際上許多研究小組正在嚐試進一步放大激光的能量以增加其功率，但是這種方法價(jia) 格昂貴，並且需要不斷增加激光晶體(ti) 的體(ti) 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，而是采用壓縮脈衝(chong) 寬度的技術路線實現峰值功率的提升。隨著激光脈衝(chong) 壓縮技術的發展，薄膜壓縮能夠支持更高功率的激光脈衝(chong) 。激光脈衝(chong) 薄膜壓縮技術（Thin Film Compression, TFC）是將具有高能量的激光脈衝(chong) 通過無塗層熔融石英晶片薄膜後實現光譜展寬，從(cong) 而減小時域脈衝(chong) 時間，以此提高激光的峰值功率。

圖1. 基於(yu) 薄片壓縮技術實現千兆瓦量級的高功率激光脈衝(chong)
圖片來源：INRS
本文將激光脈衝(chong) 壓縮技術中薄膜壓縮的概念擴展到薄板，使用商業(ye) 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(wei) 800 nm的寬帶強激光脈衝(chong) 從(cong) 24 fs到13 fs的時間壓縮，獲得了千兆瓦量級激光脈衝(chong) 輸出，上述方法有效降低了係統尺寸和運營成本。

圖2. (a) 脈寬壓縮前的激光功率分布；(b) 脈寬壓縮後的激光功率分布
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(jia) ：“我們(men) 將成為(wei) 世界上第一個(ge) 使用具有如此短脈衝(chong) 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(men) 能夠通過壓縮脈衝(chong) 寬度的方法獲得高功率激光輸出，它將帶領我們(men) 進入相對論領域的研究範疇。這是一個(ge) 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(yu) 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衝(chong) 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(men) 觀察到量子電動力學現象，並進入相對論領域的研究範疇。
05
文章信息
相關(guan) 成果以“ Thin plate compression of a sub-petawatt Ti:Sa laser pulses ”為(wei) 題，發表於(yu) Applied Physics Letters 。
原文地址 https://doi.org/10.1063/5.0008544
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