苏黎世联邦理工学院开发出迄今最强超短激光脉冲激光器

说到激光，人们通常会联想到一束强烈集中的连续光束。然而，科学和工业界往往需要非常短而强的激光脉冲。这些脉冲可用于材料加工或产生高达X射线的高谐波频率，从而有助于使阿秒级（十亿分之一秒）的极速过程，变得清晰可见。

由量子电子学研究所教授Ursula Keller领导的苏黎世联邦理工学院研究小组，创下了此类激光脉冲的新纪录：平均功率为550W，比之前的最大值高出50%以上，成为迄今为止激光振荡器产生的最强脉冲。

同时，这些脉冲的持续时间又极短——不到一皮秒即百万分之一秒，并以每秒500万个脉冲的高速度有序地从激光器中输出。这些短脉冲的峰值功率可达100兆瓦（理论上，这足以在短时间内为10万台吸尘器供电）。研究人员最近在《光学》杂志上发表了他们的研究成果。

在过去25年中，Keller的研究小组一直致力于不断改进短脉冲碟片激光器，这种激光器的激光材料由一个厚度仅为100μm的薄圆盘组成，圆盘上的晶体含有镱原子。

整个系统的概览：图像中央为激光器，前景为反射和重定向激光束的透镜和反射镜

Keller和她的同事们一次又一次地遇到新问题，这些问题最初阻碍了功率的进一步提高。研发期间，经常会发生激光器内部不同部件被破坏的事故。问题的解决带来了新的启示，使短脉冲激光器变得更加可靠。

实验室的博士生Moritz Seidel解释说：我们现在实现的更高功率和5.5兆赫兹脉冲频率的结合，是基于两项创新。首先，他和同事们使用了一种特殊的反射镜排列方式，将激光器内部的光线多次穿过圆盘，然后再通过一个外耦合镜离开激光器。这种安排使能够极大放大光线，而不会使激光变得不稳定。

第二项创新涉及脉冲激光器的核心部件，一种由半导体材料制成的特殊反射镜。Keller早在三十年前就发明了这种反射镜，其缩写为SESAM（半导体饱和吸收镜），令人过目难忘。与普通反射镜不同，SESAM的反射率取决于照射到它的光的强度。

得益于SESAM的脉冲
研究人员利用SESAM将激光器哄骗成发出短脉冲，而不是连续光束。脉冲具有更高的强度，因为光能集中在更短的时间内。激光器要发出激光，其内部的光强必须超过一定的阈值。这就是SESAM发挥作用的地方：它能反射已多次通过放大盘的光，尤其是在光强较高的情况下。因此，激光器会自动进入脉冲模式。

Seidel说：迄今为止，只有通过激光器外的多个独立放大器发送较弱的激光脉冲，才能获得与我们现在获得功率相当的脉冲。这样做的缺点是放大后会产生更多的噪音，也就是功率的波动，这尤其会给精确测量带来问题。

为了直接利用激光振荡器产生高功率，研究人员必须解决一系列棘手的技术问题。例如，如何在SESAM镜面的半导体层上附加一个薄薄的蓝宝石窗口，这将大大改善镜面的性能。当它最终成功时，我们看到了激光是如何产生脉冲的，那真是太酷了。

放大器的替代品
Ursula Keller也对这些成果感到兴奋，希望能够非常有效地将这些脉冲缩短到几个周期，这对产生阿秒脉冲非常重要。她认为，新型激光器所产生的快速强脉冲还可以应用于紫外线到 X射线范围内的新型所谓频率梳，从而产生更加精确的时钟。

她谈到：我们的梦想是有一天能证明自然常数并非恒定不变。此外，太赫兹辐射的波长比可见光或红外线要长得多，可以通过激光产生，然后用于测试材料等。总而言之，我们的脉冲激光器已经证明，激光振荡器是基于放大器的激光系统的良好替代品，并且可以进行新的、更好的测量。