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RIKEN的兩位物理學家已經(jīng)實現(xiàn)了峰值功率為6太瓦（6萬億瓦）的極短激光脈沖——大致相當于6000座核電站產(chǎn)生的功率。這一成就將有助于進一步開發(fā)阿秒激光器，三位研究人員因此獲得了2023年諾貝爾物理學獎。這項研究發(fā)表在《自然·光子學》（Nature Photonics）雜志上。

就像相機閃光燈可以“凍結(jié)”快速移動的物體，使它們在照片中看起來好像靜止不動一樣，極短的激光脈沖，可以幫助照亮超快的過程，為科學家提供了一種成像和探測它們的有力方法。

例如，阿秒數(shù)量級的激光脈沖(1阿秒= 10^-18秒)是如此之短，以至于它們可以揭示原子和分子中電子的運動，為發(fā)現(xiàn)化學和生化反應的演變提供了一種新的方法。即使是光似乎也能在如此短的時間尺度上爬行，通過一納米大約需要3阿秒。

“通過捕捉電子的運動，阿秒激光對基礎科學做出了重大貢獻，”RIKEN先進光子學中心（RAP）的Eiji Takahashi表示，“它們有望應用于廣泛的領域，包括觀察生物細胞、開發(fā)新材料和診斷醫(yī)療狀況?！?/p>

更具沖擊力

不過，雖然有可能制造出超短激光脈沖，但它們?nèi)狈_擊力，能量低。創(chuàng)造超短高能量的激光脈沖，將極大地擴展其可能的用途。Eiji Takahashi表示：“阿秒激光器的當前輸出能量極低。因此，如果要將它們用作廣泛領域的光源，增加它們的輸出能量是至關重要的。”

就像音頻放大器被用來增強聲音信號一樣，激光物理學家使用光放大器來增加激光脈沖的能量。這些放大器通常采用對光有特殊響應的非線性晶體。但是，如果這些晶體被用來放大單周期激光脈沖，就會受到不可修復的破壞。單周期激光脈沖非常短，以至于在光振蕩完一個完整的波長周期之前脈沖就結(jié)束了。

Eiji Takahashi表示：“發(fā)展高能、超快紅外激光源的最大瓶頸是缺乏一種有效的方法來直接放大單周期激光脈沖。這個瓶頸導致了單周期激光脈沖能量的1毫焦耳屏障。”

創(chuàng)下新紀錄

不過，這一瓶頸目前已經(jīng)被突破了。他們已經(jīng)將單周期脈沖放大到50毫焦耳以上，是之前最好成果的50倍以上。由于產(chǎn)生的激光脈沖非常短，這些能量轉(zhuǎn)化為令人難以置信的幾太瓦的高功率。

Takahashi表示：“我們已經(jīng)證明了如何通過建立一種有效的方法，來放大單周期激光脈沖來克服瓶頸。”

他們的方法，稱為先進的雙啁啾光學參量放大（DC-OPA），非常簡單，只涉及兩個晶體，放大光譜的互補區(qū)域。

Takahashi表示：“用于放大單周期激光脈沖的先進DC-OPA非常簡單，它只是基于兩種非線性晶體的組合——這感覺像是任何人都能想到的想法。如此簡單的概念提供了一種新的放大技術，并在高能超快激光器的發(fā)展中取得了突破，這讓我感到驚訝?！?/p>

重要的是，先進的DC-OPA工作在非常寬的波長范圍內(nèi)。該研究團隊能夠放大波長相差兩倍以上的脈沖。Takahashi表示：“這種新方法具有革命性的特點，即放大帶寬可以在不影響輸出能量縮放特性的情況下，實現(xiàn)超寬頻率輸出。”

新型的放大技術

他們的技術是另一種光脈沖放大技術的變體，稱為“啁啾脈沖放大”，來自美國、法國和加拿大的三名研究人員因此在2018年獲得了諾貝爾物理學獎。2018年和2023年的獎項之間有一個有趣的聯(lián)系：啁啾脈沖放大是推動阿秒激光器發(fā)展的技術之一。

Takahashi預計，他們的技術將進一步推動阿秒激光器的發(fā)展：“我們已經(jīng)成功地開發(fā)了一種新的激光放大方法，可以將單周期激光脈沖的強度增加到太瓦級的峰值功率，”他表示，“毫無疑問，這是高功率阿秒激光器發(fā)展的重大飛躍?！?/p>

從長遠來看，他的目標是超越阿秒激光，創(chuàng)造更短的脈沖。