1、導(dǎo)讀

近日，由俄羅斯科學(xué)院應(yīng)用物理研究所、加拿大魁北克國立科學(xué)研究院和法國巴黎高等理工學(xué)院組成的國際聯(lián)合研究團隊展示了一種提高激光強度的創(chuàng)新技術(shù)。該技術(shù)采用基于光脈沖壓縮的方法，在非常短的脈沖持續(xù)時間內(nèi)實現(xiàn)了高功率（達到千兆瓦量級，10¹⁵W）激光脈沖輸出。該技術(shù)成為提升激光強度的又一新方法，達到觀察到量子電動力學(xué)現(xiàn)象的“新型物理學(xué)的極限強度”。

這項工作作為封面文章，在2020年6月的“?Applied Physics Letters”中進行了報道，作者為加拿大國立科學(xué)研究院Jean-Claude Kieffer教授及2018年諾貝爾物理學(xué)獎得主Gérard Mourou。

2、背景介紹

激光于20世紀60年代誕生，與原子能、計算機、半導(dǎo)體并稱為新時代科技領(lǐng)域中的“四大發(fā)明”。激光在物理學(xué)、工業(yè)制造、天文學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、光通信、信息技術(shù)、軍事等領(lǐng)域有著極其廣泛的應(yīng)用，影響了人類生活的各個方面，如激光切割、眼科飛秒、精密加工和掃描成像等。

隨著激光發(fā)明的發(fā)展，人們致力于提升激光器的功率以應(yīng)用到更多的領(lǐng)域。1985年，Gérard Mourou和Donna Strickland共同發(fā)明了啁啾脈沖放大（CPA）技術(shù)。CPA技術(shù)的原理是放大前在頻域上分散激光種子脈沖的能量，放大后再進行集中，最終壓縮成高功率短脈沖的激光，此技術(shù)將激光功率提高了1000倍，達到TW量級。Gérard Mourou和Donna Strickland因CPA技術(shù)于2018年獲得了諾貝爾物理學(xué)獎，以表彰他們在激光物理學(xué)領(lǐng)域的突破性進展。

CPA技術(shù)是是實現(xiàn)高峰值功率激光的最佳手段，自該技術(shù)發(fā)明以來，超短脈沖的激光功率急劇增加，并達到近年來的極限值。目前，國際上許多研究小組正在嘗試進一步放大激光的能量以增加其功率，但是這種方法價格昂貴，并且需要不斷增加激光晶體的體積以及光束和光學(xué)器件的尺寸（超過1米）。

3、創(chuàng)新研究

在本文中，作者避免了前人通過增加激光能量提高功率的方法，而是采用壓縮脈沖寬度的技術(shù)路線實現(xiàn)峰值功率的提升。隨著激光脈沖壓縮技術(shù)的發(fā)展，薄膜壓縮能夠支持更高功率的激光脈沖。激光脈沖薄膜壓縮技術(shù)（Thin Film Compression, TFC）是將具有高能量的激光脈沖通過無涂層熔融石英晶片薄膜后實現(xiàn)光譜展寬，從而減小時域脈沖時間，以此提高激光的峰值功率。

本文將激光脈沖壓縮技術(shù)中薄膜壓縮的概念擴展到薄板，使用商業(yè)化的鈦寶石激光器演示了TFC方法的應(yīng)用，實現(xiàn)了中心波長為800 nm的寬帶強激光脈沖從24 fs到13 fs的時間壓縮，獲得了千兆瓦量級激光脈沖輸出，上述方法有效降低了系統(tǒng)尺寸和運營成本。

本文作者Kieffer教授對這一成果作出評價：“我們將成為世界上第一個使用具有如此短脈沖的激光來獲得這種高功率水平的國家之一。”本文的另一位作者，諾貝爾獎得主Gérard Mourou教授總結(jié)說：“如果我們能夠通過壓縮脈沖寬度的方法獲得高功率激光輸出，它將帶領(lǐng)我們進入相對論領(lǐng)域的研究范疇。這是一個非常有趣的方向，具有將科學(xué)界帶入新視野的潛力?！?/p>

4、應(yīng)用與展望

本文作者利用了非線性光學(xué)效應(yīng)，進一步壓縮激光的脈沖寬度，獲得了千兆瓦（10¹⁵W）量級的高功率激光輸出。上述工作可以幫助人們觀察到量子電動力學(xué)現(xiàn)象，并進入相對論領(lǐng)域的研究范疇。