藍寶石雷射放大技術可望提高超強超短雷射在強場雷射物理方面的實驗能力。超強超短雷射的應用範圍非常廣泛，包括基礎物理學、國家安全、工業服務和醫療保健。在基礎物理學領域，這類雷射已成為研究強場雷射物理的有力工具，特別是在雷射驅動輻射源、雷射粒子加速、真空量子電動力學等方面。

雷射功率和技術的發展

從1996年的1 Petawatt”新星”到2017年的10 Petawatt”上海超強超快雷射裝置”（SULF）和2019年的10 Petawatt”極光基礎設施-核物理”（ELI-NP），雷射峰值功率的急劇增加是由於大孔徑雷射增益介質的轉變（從”摻釹玻璃”到”鈦：藍寶石晶體”）。這項轉變將高能量雷射的脈衝持續時間從500 飛秒（fs）左右縮短到25 fs 左右。

不過，鈦：藍寶石超強超短雷射的上限似乎是10 Petawatt。目前，在10 至100 Petawatt的發展規劃中，研究人員一般會放棄鈦：藍寶石啁啾脈衝放大技術，轉而採用基於氘化磷酸二氫鉀非線性晶體的光參量啁啾脈衝放大技術。

這種技術由於泵浦到訊號的轉換效率低、時空-光譜-能量穩定性差，將對未來10-100 Petawatt雷射的實現和應用構成巨大挑戰。另一方面，鈦：藍寶石啁啾脈衝放大技術作為一項成熟的技術，特別是已在中國和歐洲成功實現了兩台10 Petawatt激光器，在下一階段超強超短激光器的發展中仍有很大潛力。

鈦：藍寶石晶體面臨的挑戰

鈦：藍寶石晶體是一種能階型寬頻雷射增益介質。泵浦脈衝被吸收後，在上能階和下能階之間形成族群反轉，從而完成能量儲存。當訊號脈衝多次通過鈦：藍寶石晶體時，儲存的能量被提取出來，用於雷射訊號放大。然而，在橫向寄生雷射中，沿著晶體直徑方向的自發性輻射雜訊被放大，消耗了儲存的能量，降低了雷射訊號的放大率。

目前，鈦：藍寶石晶體的最大孔徑只能支援10 Petawatt雷射。即使使用更大的鈦:藍寶石晶體仍然無法實現雷射放大，因為隨著鈦:藍寶石晶體尺寸的增大，強烈的橫向寄生雷射會呈指數級增長。

創新解決方案與未來潛力

為了應對這項挑戰，研究人員採取了一種創新方法，即把多個鈦：藍寶石晶體相干地平鋪在一起。根據2023 年12 月23 日《先進光子學》（Advanced Photonics Nexus）雜誌報道，這種方法突破了目前鈦：藍寶石超強超短激光器10 Petawatt的限制，有效地增大了整個平鋪鈦：藍寶石晶體的孔徑，也截斷了每個平鋪晶體內的橫向寄生雷射。

通訊作者、上海光學精密機械研究所的冷雨欣指出：”在我們的100 Terawatt（即0.1 Petawatt）激光系統中，成功演示了平鋪鈦：藍寶石激光放大。我們利用這項技術實現了接近理想的雷射放大效果，包括高轉換效率、穩定的能量、寬頻光譜、短脈衝和小焦斑”。

團隊報告說，相干平鋪鈦：藍寶石雷射放大技術為超越目前的10 皮特瓦極限提供了一種相對簡單且廉價的方法。”透過在中國的SULF或歐盟的ELI-NP中增加一個2×2相干平鋪鈦：藍寶石高能量雷射放大器，可以將目前的10皮特瓦進一步提高到40皮特瓦，聚焦峰值強度可以提高近10倍甚至更多。」他說。

這種方法可望提高超強超短雷射在強場雷射物理方面的實驗能力。

編譯來源：ScitechDaily