自1960年激光器的誕生，一個(ge) 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幹性從(cong) 物理上使得光源的強度得到極大的提高。強於(yu) 傳(chuan) 統非相幹光源數一個(ge) 量級的光強在激光領域得以實現。在強場的驅動下，電子得以突破限製以非諧振的頻率振蕩。從(cong) 而輻射出“色彩豐(feng) 富的”激光。以光纖和激光燈絲(si) 作為(wei) 波導而加強光場強度從(cong) 而產(chan) 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，在激光脈衝(chong) 本身有非常高能量的前提下，因光纖和激光燈絲(si) 的方法由於(yu) 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(zi) 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(liang) 麵鏡子對激光進行重新聚焦形成多次反射，並在腔內(nei) 放置多片非線性玻璃。

近期發表在Ultrafast Science的文章中，研究者們(men) 報道了利用這種方法將激光進行頻譜展寬三十倍，並得到脈衝(chong) 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衝(chong) 的峰值功率。值得一提的是，在實驗中輸入的激光脈衝(chong) 峰值功率高於(yu) 玻璃光纖可承受功率極限的40倍。盡管在多次反射腔中脈衝(chong) 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(men) 很好的結合了兩(liang) 種新型方法擴展了超短脈衝(chong) 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(jue) 條件以及實驗中係統表現出的強抗噪能力為(wei) 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(zi) 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隻能提供皮秒量級的激光脈衝(chong) 。我們(men) 的研究展現了一種可以將皮秒高能脈衝(chong) 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衝(chong) 進入由兩(liang) 麵凹麵鏡組成的“多通腔”。腔中的一組非線性玻璃提供了脈衝(chong) 展寬所需的非線性的同時，由於(yu) 非線性的影響也在脈衝(chong) 的傳(chuan) 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衝(chong) 追蹤和操縱的時間尺度，而且飛秒脈衝(chong) 的超短持續時間不足以支持電離過程中熱量的產(chan) 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(ge) 新係統使得科學家們(men) 可以精確探測新型量子材料的分子動力學性質。“使用我們(men) 係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(men) 會(hui) 很高興(xing) 。”

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衝(chong) 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，光譜展寬和脈衝(chong) 壓縮是通向強場物理研究的關(guan) 鍵方法。有了多通腔的技術，他的這種預言可能成型”。我們(men) 已經在實驗室中建立了第一個(ge) 基於(yu) 多通腔的小型粒子加速器。我們(men) 預計這一概念也會(hui) 對未來的放射治療，甚至對基於(yu) 激光的核聚變方案產(chan) 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(guan) 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並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(xing) 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).