突破极限：单周期激光脉冲的超高能量放大助力阿秒成像

日本理化学研究所（RIKEN）的研究团队在这一领域取得了重大突破。他们开发出了一种名为高级双啁啾光学参量放大（DC-OPA）的创新技术，能显著提升单周期激光脉冲的能量至50 mJ，超过以往最高功率的50倍。这一技术解决了直接放大单周期激光脉冲的挑战，并提供了超宽的放大带宽，而不会牺牲输出能量。这项成就不仅为阿秒激光器的进一步发展奠定了坚实的基础，也预示着其在观察生物细胞、开发新材料及医疗诊断等多个领域的潜在应用。

类似相机的闪光灯能够定格快速移动的物体，使其在照片中呈现静止状态，这种极短的激光脉冲同样能够揭示超快速的科学过程，为科学家们提供了一种强大的成像与探测手段。阿秒级（1阿秒 = 10^–18 秒）的激光脉冲极为短暂，足以捕捉到原子和分子内部电子的运动。这种能力为揭示化学和生化反应的演变过程开辟了新的路径。在这样短暂的时间尺度上，即便是光在纳米级距离的传播也需要约3阿秒。

RIKEN先进光子学中心（RAP）的Eiji Takahashi表示：“阿秒激光技术通过使我们能够捕捉电子的运动，为基础科学领域做出了重大贡献，将有望广泛应用于生物细胞观察、新材料开发以及医疗诊断等多个领域。”

虽然目前能够产生超短激光脉冲，但这些脉冲的能量较低，缺乏强大的冲击力。为了拓宽其应用范围，开发能够产生既超短又高能的激光脉冲至关重要。Eiji Takahashi指出：“目前，阿秒激光器的输出能量极低，因此增强其输出能量对于将其作为广泛应用领域的光源非常关键。”

正如音频放大器用于放大声音信号一样，激光物理学家使用光学放大器来提升激光脉冲的能量。这些放大器通常采用对光表现出特殊响应的非线性晶体材料。然而，当这些晶体被用于放大单周期激光脉冲时，可能会遭受不可逆转的损害。这些脉冲极其短暂，以至于在光波完成一个完整振荡周期之前，脉冲便已经结束。

Eiji Takahashi进一步解释说：“在开发高能、超快红外激光源的过程中，当前最大的技术障碍是缺少一种有效的方法来直接放大单周期激光脉冲。这个问题导致了单周期激光脉冲的能量受限于一毫焦耳的屏障。”

图1 左，Eiji Takahashi 和 RAP 同事Lu Xu取得了突破；右，Eiji Takahashi，RIKEN首席科学家

图源：WILLIAM BULGAR/SCIENCE PHOTO LIBRARY/Getty

现在，Eiji Takahashi和他的同事Lu Xu已经跨越了这一障碍，还取得了突破性进展。他们成功将单周期激光脉冲的能量放大到超过50 mJ，是之前最高功率的50倍以上。这种短暂的激光脉冲产生的能量可以转化为数太瓦的惊人高功率。Eiji Takahashi表示：“我们展示了通过建立一种高效的方法来放大单周期激光脉冲，从而突破技术瓶颈。”

他们采用的方法名为高级双啁啾光学参量放大（DC-OPA），其结构简单，只涉及两个晶体，能够放大光谱的互补区域（图1）。Eiji Takahashi说：“我们使用的高级DC-OPA技术极为简便，仅基于两种非线性晶体的组合，这一点让人意外，因为这样简单的概念竟然能提供一种新的放大技术，并在高能超快激光器领域实现了突破。”

值得注意的是，先进的DC-OPA技术能在极宽的波长范围内有效工作。通过这种方法，Eiji Takahashi和 Lu Xu能够放大相差超过两倍的脉冲。Eiji Takahashi认为，这种新技术具有革命性特点，能在不牺牲输出能量的情况下实现超宽的放大带宽。

他们的技术是一种光脉冲放大技术，称为“啁啾脉冲放大”，该技术使得来自美国、法国和加拿大的三名研究人员荣获了2018年的诺贝尔物理学奖。2018年的该技术与2023年的技术奖项之间存在着引人注目的联系，因为啁啾脉冲放大是推动阿秒激光器开发的关键技术之一。

Eiji Takahashi预计，他们的创新技术将进一步推动阿秒激光器的发展。他表示：“我们已经成功研发了一种新型激光放大方法，能够将单周期激光脉冲的强度提升至太瓦级的峰值功率，这无疑标志着高功率阿秒激光器发展的一个重大突破。”

展望未来，他的目标是开发比阿秒激光更短的脉冲。他指出：“通过将单周期激光器与高阶非线性光学效应结合使用，我们有望生成时间宽度为仄秒（1 仄秒 = 10^-21秒）的光脉冲。我的长期目标是开启仄秒激光研究的大门，引领超短激光技术进入阿秒激光之后的新时代。”

https://www.riken.jp/en/news_pubs/research_news/rr/20240416_1/index.html