近日，伯克利實(shí)驗(yàn)室加速器技術(shù)與應(yīng)用物理（ATAP）部門的一組研究人員宣布開發(fā)出一種新技術(shù)，可以將不同波長(zhǎng)的光纖激光器組合在一起，產(chǎn)生超短激光脈沖。

【資料圖】

這項(xiàng)工作可以推動(dòng)激光等離子體加速器（LPAs）的發(fā)展，它有可能推動(dòng)高能物理的前沿，并使材料科學(xué)、聚變研究和許多其他領(lǐng)域的發(fā)現(xiàn)成為可能。

激光等離子體加速器（LPAs）用強(qiáng)烈的超快激光脈沖通過(guò)等離子體來(lái)加速帶電粒子，速度比目前的技術(shù)快1000倍，能夠制造出比傳統(tǒng)加速器更緊湊、更強(qiáng)大的機(jī)器，而且制造和操作成本更低。

目前，大多數(shù)激光等離子體加速器（LPAs）使用重復(fù)頻率只有幾赫茲（Hz）的激光脈沖。然而，實(shí)現(xiàn)LPAs的全部潛力需要高功率激光系統(tǒng)，能夠以kHz或更高的重復(fù)頻率產(chǎn)生超短、高能激光脈沖。

這些限制對(duì)產(chǎn)生這種脈沖的激光系統(tǒng)提出了非?？量痰囊?。因此，研究人員轉(zhuǎn)向光纖激光器，她說(shuō)這是“迄今為止最有效的高功率激光技術(shù)，也有廣泛的工業(yè)發(fā)展，可以在我們的工作中加以利用?！?/p>

雖然光纖激光器產(chǎn)生的脈沖的能量和功率可以通過(guò)在空間和時(shí)間上組合多個(gè)脈沖來(lái)放大，但是這些脈沖目前被限制在大約100飛秒（fs），這不足以驅(qū)動(dòng)激光等離子體加速器（LPAs）。

ATAP旗下BELLA 中心的研究科學(xué)家解釋說(shuō)：“雖然光纖激光系統(tǒng)提供了最高的電光功率效率——但在這些系統(tǒng)中放大的超短激光脈沖的頻譜變窄了?！?/p>

“當(dāng)激光脈沖以這種方式放大時(shí)，增益變窄是一個(gè)基本效應(yīng)；脈沖的頻譜越窄，持續(xù)時(shí)間就越長(zhǎng)。因此，高功率光纖激光器產(chǎn)生短于100秒的脈沖是非常具有挑戰(zhàn)性的。”

然而，通過(guò)將在相鄰波長(zhǎng)范圍內(nèi)工作的多個(gè)激光脈沖進(jìn)行光譜組合，該團(tuán)隊(duì)（包括工程部的Qiang Du和ATAP的Dan Wang和Russell Wilcox）實(shí)現(xiàn)了一個(gè)超寬的組合光譜，能夠支持幾十秒的非常短的脈沖。

為了增加帶寬并產(chǎn)生幾十秒長(zhǎng)的脈沖，研究人員首先使用鎖模振蕩器和摻鐿光纖放大器（YDFA）以100 MHz的重復(fù)率產(chǎn)生120秒的脈沖。它們被送到光子晶體光纖中，這些激光脈沖的光譜從27納米（nm）擴(kuò)大到90納米。

然后，他們使用了一個(gè)二向色鏡，它可以使激光脈沖在沒(méi)有明顯強(qiáng)度損失的情況下分離或組合，從而在光譜上分裂脈沖。然后將它們發(fā)送到兩個(gè)脈沖成形器，以形成各自脈沖光譜的強(qiáng)度和相位。當(dāng)反射脈沖被發(fā)送到第一個(gè)整形器時(shí)，發(fā)射脈沖被YDFA放大，由第二個(gè)整形器形成脈沖，并由另一個(gè)二向色鏡進(jìn)一步分割。來(lái)自光纖激光器的三個(gè)啁啾脈沖隨后被放大，并使用額外的二向色鏡重新組合。

這種超寬帶頻譜與合成脈沖整形相結(jié)合，產(chǎn)生的脈沖持續(xù)時(shí)間只有42秒，這比三個(gè)光纖通道產(chǎn)生的脈沖要短得多。據(jù)該團(tuán)隊(duì)介紹，這是從光譜組合鐿光纖激光系統(tǒng)中獲得的最短脈沖激光持續(xù)時(shí)間。

雖然這項(xiàng)工作已經(jīng)證明了到目前為止在低能量下的超快脈沖，但它展示了超寬帶頻譜組合和相干頻譜合成脈沖整形的關(guān)鍵原理，并為使用光纖激光器驅(qū)動(dòng)激光等離子體加速器（LPAs）提供了一個(gè)突破口。未來(lái)，該團(tuán)隊(duì)計(jì)劃增加更多的放大級(jí)，并實(shí)施能夠在空間、時(shí)間和頻譜上組合光纖激光器的多維技術(shù)，以產(chǎn)生數(shù)十秒的高能激光脈沖。

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