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。在基礎物理學中，這種激光器已成為研究強場激光物理的有力工具，特別是在激光驅動輻射源、激光粒子加速、真空量子電動力學等方面。

從1996年的1拍瓦“Nova”到2017年的10拍瓦上海超強超短激光實驗裝置（SULF）和2019年的10拍瓦歐洲“極端光基礎設施-核物理”（ELI-NP），峰值激光功率的急劇增加是由于大孔徑激光器增益介質的轉變（從摻釹玻璃到鈦：藍寶石晶體）。這種轉變將高能激光的脈沖持續時間從大約500飛秒（fs）減少到大約25飛秒。

然而，鈦藍寶石超強超短激光器的似乎漲到10拍瓦就達到了上限。目前，對于10拍瓦到100拍瓦的發展規劃，研究人員普遍對鈦藍寶石啁啾脈沖放大技術不太抱希望，轉而將目標投向基于氘化磷酸二氫鉀非線性晶體的光學參數啁啾脈沖放大技術。

不過，后者雖然應用前景很不錯，其低泵-信號轉換效率和時空-光譜-能量穩定性方面的缺陷，卻給未來10-100拍瓦激光器的實現和應用帶來了巨大的挑戰。

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，已經分別在中國和歐洲打造出了1臺10千兆瓦激光器，在超強超短激光器的下一階段發展中仍有很大的潛力。

鈦：藍寶石晶體是一種能級型寬帶激光增益介質。在增益過程中，泵浦脈沖被吸收，在上下能級之間建立能級反轉，完成能量存儲。當信號脈沖多次穿過鈦藍寶石晶體時，所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，自發發射噪聲沿著晶體直徑的方向被放大，消耗了存儲的能量，降低了信號激光放大。

寄生激光（Parasitic Lasing）是一種在激光器或放大器設備中出現的不需要的激光操作。這種現象通常是由于設備內部的某些部分無意中形成了激光腔，導致激光在不需要的頻率或模式下振蕩。寄生激光的出現，往往會抑制設備中需要的激光操作，降低設備的性能，甚至可能導致設備的損壞。

目前，鈦藍寶石晶體的最大孔徑只能支持10拍瓦的激光器。即使使用更大的鈦藍寶石晶體，激光放大仍然是不可能的，因為強橫向寄生激光隨著鈦藍寶石晶體尺寸的增加呈指數增長。

突破口關鍵在哪？

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相干地鋪在一起。

據《先進光子學通訊》（Advanced Photonics Nexus）報道，該方法突破了目前鈦藍寶石超強超短激光器10拍瓦的限制，有效地增加了整個鈦藍寶石平鋪晶體的孔徑直徑，并截斷了每個平鋪晶體內的橫向寄生激光。

論文通訊作者、上海光學精密機械研究所研究人員Yuxin Leng指出：“我們在100太瓦（即0.1拍瓦）激光系統中成功地展示了平鋪鈦：藍寶石激光的放大。我們利用這種技術實現了接近理想的激光放大，包括高轉換效率、穩定的能量、寬帶光譜、短脈沖和小焦斑。”

其團隊報告稱，相干平鋪鈦：藍寶石激光放大提供了一種相對簡單和廉價的方法，可以超過目前10千瓦時的極限。該方法有望提高強場激光物理中超強超短激光器的實驗能力。 “通過在上海超強超短激光實驗裝置（SULF）或歐盟“極端光基礎設施-核物理”（ELI-NP）裝置中添加2×2相干平鋪鈦：藍寶石高能激光放大器，可以將激光功率從當前的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。”

審核編輯：黃飛