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01
導(dǎo)讀
近日，由俄羅斯科學(xué)院應(yīng)用物理研究所、加拿大魁北克國(guó)立科學(xué)研究院和法國(guó)巴黎高等理工學(xué)院組成的國(guó)際聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)展示了一種提高激光強(qiáng)度的創(chuàng)新技術(shù)。該技術(shù)采用基于光脈沖壓縮的方法，在非常短的脈沖持續(xù)時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)了高功率（達(dá)到千兆瓦量級(jí)，1015W）激光脈沖輸出。該技術(shù)成為提升激光強(qiáng)度的又一新方法，達(dá)到觀察到量子電動(dòng)力學(xué)現(xiàn)象的“新型物理學(xué)的極限強(qiáng)度”。
這項(xiàng)工作作為封面文章，在2020年6月的“ Applied Physics Letters ”中進(jìn)行了報(bào)道，作者為加拿大國(guó)立科學(xué)研究院Jean-Claude Kieffer教授及2018年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主Gérard Mourou。

Applied Physics Letters 第116卷，第24期，封面
02
背景介紹
激光于20世紀(jì)60年代誕生，與原子能、計(jì)算機(jī)、半導(dǎo)體并稱為新時(shí)代科技領(lǐng)域中的“四大發(fā)明”。激光在物理學(xué)、工業(yè)制造、天文學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、光通信、信息技術(shù)、軍事等領(lǐng)域有著極其廣泛的應(yīng)用，影響了人類生活的各個(gè)方面，如激光切割、眼科飛秒、精密加工和掃描成像等。
隨著激光發(fā)明的發(fā)展，人們致力于提升激光器的功率以應(yīng)用到更多的領(lǐng)域。1985年，Gérard Mourou和Donna Strickland共同發(fā)明了啁啾脈沖放大（CPA）技術(shù)。CPA技術(shù)的原理是放大前在頻域上分散激光種子脈沖的能量，放大后再進(jìn)行集中，最終壓縮成高功率短脈沖的激光，此技術(shù)將激光功率提高了1000倍，達(dá)到TW量級(jí)。Gérard Mourou和Donna Strickland因CPA技術(shù)于2018年獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，以表彰他們?cè)诩す馕锢韺W(xué)領(lǐng)域的突破性進(jìn)展。
CPA技術(shù)是是實(shí)現(xiàn)高峰值功率激光的最佳手段，自該技術(shù)發(fā)明以來(lái)，超短脈沖的激光功率急劇增加，并達(dá)到近年來(lái)的極限值。目前，國(guó)際上許多研究小組正在嘗試進(jìn)一步放大激光的能量以增加其功率，但是這種方法價(jià)格昂貴，并且需要不斷增加激光晶體的體積以及光束和光學(xué)器件的尺寸（超過(guò)1米）。
03
創(chuàng)新研究
在本文中，作者避免了前人通過(guò)增加激光能量提高功率的方法，而是采用壓縮脈沖寬度的技術(shù)路線實(shí)現(xiàn)峰值功率的提升。隨著激光脈沖壓縮技術(shù)的發(fā)展，薄膜壓縮能夠支持更高功率的激光脈沖。激光脈沖薄膜壓縮技術(shù)（Thin Film Compression, TFC）是將具有高能量的激光脈沖通過(guò)無(wú)涂層熔融石英晶片薄膜后實(shí)現(xiàn)光譜展寬，從而減小時(shí)域脈沖時(shí)間，以此提高激光的峰值功率。

圖1. 基于薄片壓縮技術(shù)實(shí)現(xiàn)千兆瓦量級(jí)的高功率激光脈沖
圖片來(lái)源：INRS
本文將激光脈沖壓縮技術(shù)中薄膜壓縮的概念擴(kuò)展到薄板，使用商業(yè)化的鈦寶石激光器演示了TFC方法的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了中心波長(zhǎng)為800 nm的寬帶強(qiáng)激光脈沖從24 fs到13 fs的時(shí)間壓縮，獲得了千兆瓦量級(jí)激光脈沖輸出，上述方法有效降低了系統(tǒng)尺寸和運(yùn)營(yíng)成本。

圖2. (a) 脈寬壓縮前的激光功率分布；(b) 脈寬壓縮后的激光功率分布
圖片來(lái)源：Appl. Phys. Lett. 116, 241101 (2020)（Fig.2）
本文作者Kieffer教授對(duì)這一成果作出評(píng)價(jià)：“我們將成為世界上第一個(gè)使用具有如此短脈沖的激光來(lái)獲得這種高功率水平的國(guó)家之一。”本文的另一位作者，諾貝爾獎(jiǎng)得主Gérard Mourou教授總結(jié)說(shuō)：“如果我們能夠通過(guò)壓縮脈沖寬度的方法獲得高功率激光輸出，它將帶領(lǐng)我們進(jìn)入相對(duì)論領(lǐng)域的研究范疇。這是一個(gè)非常有趣的方向，具有將科學(xué)界帶入新視野的潛力?！?br/>

圖3. 本文作者加拿大國(guó)立科學(xué)研究院Jean-Claude Kieffer教授
圖片來(lái)源：INRS
04
應(yīng)用與展望
本文作者利用了非線性光學(xué)效應(yīng)，進(jìn)一步壓縮激光的脈沖寬度，獲得了千兆瓦（1015W）量級(jí)的高功率激光輸出。上述工作可以幫助人們觀察到量子電動(dòng)力學(xué)現(xiàn)象，并進(jìn)入相對(duì)論領(lǐng)域的研究范疇。
05
文章信息
相關(guān)成果以“ Thin plate compression of a sub-petawatt Ti:Sa laser pulses ”為題，發(fā)表于 Applied Physics Letters 。
原文地址 https://doi.org/10.1063/5.0008544
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