蘇黎世聯邦理工學院的研究人員開發出一種雷射器，它能產生迄今為止最強的超短雷射脈衝。 未來，這種高功率脈衝可用於精密測量或材料加工。它可以產生峰值功率高達100 兆瓦、平均功率為550 瓦的極短脈衝。之所以能做到這一點，是因為優化了雷射器中反射鏡的排列，並改進了一種特殊的反射鏡，從而使雷射器發出脈衝。未來，這些破紀錄的雷射脈衝可用於精密測量等方面。

破紀錄雷射內部一瞥。 圖片顯示了雷射光束多次穿過的圓形放大器盤（中心亮點）。 圖片來源：Moritz Seidel / 蘇黎世聯邦理工學院

提到激光，人們通常會聯想到一束強大的連續光束。 這種類型的雷射確實很常見，而且有很多實際用途。 然而，在科學和工業領域，對極短、極強的雷射脈衝也有重要需求。 這些雷射脈衝可用於塑造材料或產生延伸到X 射線範圍的高諧波頻率，有助於揭示發生在阿秒（十億分之一秒）的過程。

最近，由蘇黎世聯邦理工學院量子電子研究所教授烏蘇拉-凱勒（Ursula Keller）領導的研究小組在這一領域取得了重大突破。 他們用雷射振盪器產生了有史以來最強大的雷射脈衝，平均輸出功率達到550 瓦，比之前的記錄高出50%。 這些脈衝不僅功率驚人，而且持續時間極短，不到一皮秒（百萬分之一秒）。 它們以每秒500 萬個脈衝的快速、規則模式發射，每個脈衝的峰值功率可達100 兆瓦–理論上足以為10 萬台吸塵器短暫供電。 研究小組的研究成果發表在科學雜誌Optica。

在過去的25 年中，凱勒的研究小組一直致力於不斷改進所謂的短脈衝圓盤雷射器，在這種雷射中，雷射材料由厚度僅為100 微米的含鐿原子的晶體薄盤組成。

凱勒和她的同事們一次又一次地遇到新問題，這些問題最初阻礙了功率的進一步提高。 經常會發生雷射內部不同部件被破壞的驚人事故。 在解決了這些問題後，我們獲得了新的認識，使在工業應用中也很流行的短脈衝雷射變得更加可靠。

凱勒實驗室的博士生莫里茲-塞德爾（Moritz Seidel）解釋說：”我們現在實現的更高功率和5.5 兆赫茲脈衝頻率的結合，是基於兩項創新。首先，他和他的同事們使用了一種特殊的反射鏡排列方式，將雷射內部的光線多次穿過圓盤，然後再透過一個外耦合反射鏡離開雷射。雷射變得不穩定。

第二項創新涉及脈衝雷射的核心部件：一種由半導體材料製成的特殊反射鏡，早在三十年前就由凱勒發明，其縮寫為SESAM（半導體飽和吸收鏡），令人過目難忘。 與普通反射鏡不同，SESAM 的反射率取決於照射到它的光的強度。

整個系統的概覽： 影像中央為雷射器，前景為反射和重定向雷射光束的透鏡和反射鏡。 圖片來源：Moritz Seidel / ETH Zürich

利用SESAM，研究人員將雷射哄騙成發出短脈衝，而不是連續光束。 脈衝具有更高的強度，因為光能集中在更短的時間內。 雷射要發出激光，其內部的光強度必須超過一定的臨界值。 這就是SESAM 發揮作用的地方：它可以反射已經多次通過放大盤的光線，尤其是在光線強度較高的情況下。 因此，雷射會自動進入脈衝模式。

塞德爾說：” 到目前為止，只有透過雷射外部的多個獨立放大器發送較弱的雷射脈衝，才能獲得與我們現在所獲得的功率相當的脈衝。這樣做的缺點是放大後會產生更多的噪音，也就是功率的波動，這尤其會為精確測量帶來問題。薄薄的藍寶石窗口，這將極大地改善鏡面的性能。

Lukas Lang（左）和Moritz Seidl（右）正在安裝雷射。 圖片來源：Heidi Hofstetter / 蘇黎世聯邦理工學院

烏蘇拉-凱勒（Ursula Keller）對這些成果也感到非常興奮，並強調說”蘇黎世聯邦理工學院多年來對我的支持，以及瑞士國家基金對我的研究提供的可靠資助，幫助我和我的合作者取得了這一重大成果。

凱勒認為，新雷射器所產生的快速強脈衝還可以應用於紫外線到X 射線範圍內的新型所謂頻率梳，產生更精確的時脈。凱勒說：”我們的夢想是有一天能證明自然常數並非恆定不變。 此外，太赫茲輻射的波長比可見光或紅外線要長得多，可以用激光產生，然後用於測試材料等。總而言之，我們的脈衝雷射器表明，雷射振盪器是基於放大器的雷射系統的良好替代品，而且可以進行新的、更好的測量。

編譯自/ SciTechDaily