超強超短激光具有廣泛的應用范圍，包括基礎物理、國家安全、工業服務和醫療保健。在基礎物理中，這種激光已成為研究強場激光物理的強大工具，特別是用于激光驅動輻射源、激光粒子加速、真空量子電動力學等。

激光峰值功率從1996年的1拍瓦“Nova”到2017年的10拍瓦“SULF”和2019年的10拍瓦“ELI-NP”急劇增加，是由于大孔徑激光器的增益介質發生了變化(從摻釹玻璃到鈦：藍寶石晶體)。這種轉變將高能激光器的脈沖持續時間從約500飛秒(fs)縮短到約25 fs。

然而，鈦藍寶石超強超短激光器的上限似乎是10拍瓦。目前，對于10拍瓦到100拍瓦的發展規劃，研究人員通常放棄鈦藍寶石啁啾脈沖放大技術，轉而采用基于氘化磷酸二氫鉀非線性晶體的光學參量啁啾脈沖放大技術。由于該技術泵浦-信號轉換效率低，時空-光譜-能量穩定性差，將對未來10-100拍瓦激光器的實現和應用構成巨大挑戰。

另一方面，鈦藍寶石啁啾脈沖放大技術作為一項成熟的技術，已在中國和歐洲成功實現了兩臺10拍瓦激光器，在超強超短激光器的下一階段發展中仍具有巨大潛力。

鈦：藍寶石晶體是一種能級型寬帶激光增益介質。泵浦脈沖被吸收，在上能級和下能級之間建立粒子數反轉，從而完成能量儲存。當信號脈沖多次通過鈦：藍寶石晶體時，儲存的能量被提取出來用于激光信號放大。然而，在橫向寄生激光中，沿晶體直徑的放大自發輻射噪聲消耗了儲存的能量，降低了信號激光放大。

目前，鈦：藍寶石晶體的最大孔徑只能支持10拍瓦的激光。即使使用更大的鈦：藍寶石晶體，激光放大仍然是不可能的，因為隨著鈦：藍寶石晶體尺寸的增加，強烈的橫向寄生激光呈指數級增長。

為了應對這一挑戰，研究人員采取了一種創新的方法，將多個鈦：藍寶石晶體連貫地拼接在一起。

正如Advanced Photonics Nexus所報道的那樣，這種方法突破了目前鈦：藍寶石超強超短激光的10拍瓦限制，有效地增加了整個拼接鈦：藍寶石晶體的孔徑直徑，并截斷了每個拼接晶體內的橫向寄生激光。

通訊作者、上海光學精密機械研究所冷雨欣指出：“我們100太瓦(即0.1拍瓦)的激光系統成功演示了拼接鈦寶石激光放大。我們使用該技術實現了近乎理想的激光放大，包括高轉換效率、穩定的能量、寬帶光譜、短脈沖和小焦點。”

冷雨欣的團隊報告稱，連貫拼接的鈦藍寶石激光放大器提供了一種相對簡單廉價的方法，可以超越目前的10拍瓦極限。

冷雨欣說：“通過在中國SULF或歐盟ELI-NP中添加2×2相干拼接的鈦：藍寶石高能激光放大器，可以將目前的10拍瓦進一步增加到40拍瓦，聚焦峰值強度可以增加近10倍或更多”。

該方法有望增強超強超短激光在強場激光物理中的實驗能力。

審核編輯 黃宇