中国科学院上海光学精密机械研究所：利用新型激光放大技术打破10拍瓦极限

​超强超短激光的应用范围非常广泛，包括基础物理学、国家安全、工业服务和医疗保健。在基础物理学领域，这种激光器已成为研究强场激光物理学的有力工具，特别是在激光驱动辐射源、激光粒子加速、真空量子电动力学等方面。

从1996年的1拍瓦-Nova 到2017年的10拍瓦-上海超强超快激光装置（SULF）和2019年的10拍瓦- Nuclear Physics（ELI-NP），激光峰值功率的急剧增加是由于大孔径激光器增益介质的转变（从掺钕玻璃到钛蓝宝石晶体）。这一转变将高能激光器的脉冲持续时间从约 500 fs缩短到约 25 fs。

然而，钛蓝宝石超强超短激光器的上限似乎是 10 拍瓦。目前，在 10拍瓦至 100拍瓦的发展规划中，研究人员普遍放弃了钛蓝宝石啁啾脉冲放大技术，转而采用基于氘化磷酸二氢钾非线性晶体的光参量啁啾脉冲放大技术。这种技术由于泵浦到信号的转换效率低、时空-光谱-能量稳定性差，将对未来 10-100拍瓦激光器的实现和应用构成巨大挑战。

另一方面，钛蓝宝石啁啾脉冲放大技术作为一项成熟技术，已在中国和欧洲成功实现了两台 10 拍瓦级激光器，在下一阶段超强超短激光器的发展中仍有很大潜力。

钛蓝宝石晶体是一种能级型宽带激光增益介质。泵浦脉冲被吸收后，上能级和下能级之间会产生粒子数反转，从而完成能量存储。当信号脉冲多次通过钛蓝宝石晶体时，存储的能量被提取出来，用于激光信号放大。然而，在横向寄生激光中，沿晶体直径方向的自发辐射噪声被放大，消耗了存储的能量，降低了激光信号的放大率。目前，钛蓝宝石晶体的最大孔径只能支持 10 拍瓦激光。即使使用更大的钛蓝宝石晶体，仍然无法实现激光放大，因为随着钛蓝宝石晶体尺寸的增大，强烈的横向寄生激光会呈指数级增长。

为了应对这一挑战，研究人员采用了一种创新方法，将多个钛蓝宝石晶体连贯拼接在一起。正如《Advanced Photonics Nexus》所报道的，这种方法突破了目前钛蓝宝石超强超短激光器的 10拍瓦限制，有效地增大了整个拼接钛蓝宝石晶体的孔径，并截断了每个拼接晶体内的横向寄生激光。

图1：(a) 通过四通 2×2 拼接钛蓝宝石放大器将 10 PW 提高到 40 PW 的示意图。(b)单光束、(c)由四个子光束组成的 2×2 光束阵列和(d)由四个子光束组成的 2×2 光束阵列，上两个子光束和下两个子光束之间有 1.33 fs 时延 τ 时的电场。载波频率乘以 0.5，以避免（b）-（d）中的快速振荡。(e) 脉冲光束的聚焦强度与 2×2 光束阵列中上两个子光束和下两个子光束之间的时间延迟 τ 的函数关系。时间上的两个射线脉冲（Ps）和远场中的两个单色光束（Bs）的时间和空间相干组合结果可供参考。资料来源：刘彦祺等人，《Coherently tiled Ti:sapphire laser amplification: a way to break the 10 petawatt limit on current ultraintense lasers》，《Advanced Photonics Nexus》（2023）。

该文作者之一、中国科学院上海光学精密机械研究所的冷雨欣副所长指出：在我们的 100 太瓦（即 0.1拍瓦）激光系统中成功演示了拼接钛蓝宝石激光放大技术。我们利用这项技术实现了接近理想的激光放大效果，包括高转换效率、稳定的能量、宽带光谱、短脉冲和小焦斑。

图2：用于实验演示的钛蓝宝石 CPA 激光设备的布局和参数。红色光束线是信号光，绿色光束线是泵浦光，虚线框表示使用 CTT 的最终放大器。资料来源：刘彦祺等人，《Coherently tiled Ti:sapphire laser amplification: a way to break the 10 petawatt limit on current ultraintense lasers》，《Advanced Photonics Nexus》（2023）。

冷雨欣副所长的研究团队报告说：连贯拼接钛蓝宝石激光放大技术为超越目前的 10 拍瓦极限提供了一种相对简单和廉价的方法。
 

冷雨欣副所长表示：通过在中国的SULF或欧盟的ELI-NP中增加一个2×2连贯拼接钛蓝宝石高能激光放大器，可以将目前的10拍瓦进一步提高到40拍瓦，聚焦峰值强度可以提高近10倍甚至更多。该方法有望提高超强超短激光器在强场激光物理方面的实验能力。

参考文献：刘彦祺等人，《Coherently tiled Ti:sapphire laser amplification: a way to break the 10 petawatt limit on current ultraintense lasers》，《Advanced Photonics Nexus》（2023）。