来源：奥利弗•莫尔施，苏黎世联邦理工学院；电子科技大学太赫兹科学技术研究中心 孙原杰 编译

    激光这个词通常会让人联想到一个强烈集中和连续的光束。实际上，产生这种光的激光非常常见且实用。然而，科学和工业常常也需要非常短且强的激光光脉冲。这些脉冲可用于加工材料或产生高次谐波频率，甚至达到X射线，这有助于使极快的过程（阿秒级，即十亿分之一亿秒）可见。苏黎世联邦理工学院的乌尔苏拉•凯勒教授领导的研究团队现在创造了这种激光脉冲的新纪录：在550瓦的平均功率下，他们的激光脉冲超过了之前的最大值50%以上，这使得它们成为有史以来最强的激光振荡器脉冲。与此同时，它们极其短暂——持续时间不足一皮秒，即百万分之一亿秒——以每秒五百万脉冲的高速率规律性地输出。短脉冲的峰值功率达到100兆瓦（理论上足够为10万个吸尘器短时间供电）。研究人员最近在期刊《Optica》中发布了他们的研究成果。在过去的25年里，凯勒的研究小组一直致力于所谓短脉冲盘激光器的持续改进，其中激光材料由一块仅100微米厚的含钇的晶体薄盘构成。凯勒和她的同事们不断遇到新的问题，这些问题最初阻碍了功率的进一步提升。通常，激光内部的不同部件会发生毁灭性的事故。解决这些问题带来了新的见解，使得短脉冲激光器（在工业应用中也很受欢迎）变得更可靠。“我们现在实现的更高功率和5.5兆赫兹的脉冲频率的结合，基于两项创新，”凯勒实验室的博士生莫里茨•赛德尔解释说。一方面，他和同事们使用了一种特殊的镜子排列，使光在激光内部通过盘的次数增加，才通过出耦合镜离开激光。“这种排列使我们能够极大地放大光而不使激光变得不稳定，”赛德尔说。第二项创新涉及脉冲激光的核心部件：一种由半导体材料制成的特殊镜子，这种镜子是凯勒三十年前发明的，简称为SESAM（半导体可饱和吸收镜）。与普通镜子不同，SESAM的反射率取决于照射在其上的光的强度。

    得益于SESAM

    通过使用SESAM，研究人员促使他们的激光发出短脉冲，而不是连续光束。脉冲具有更高的强度，因为光能量集中在更短的时间内。为了使激光发出激光光，激光内部的光强度必须超过某个阈值。这就是SESAM发挥作用的地方：它特别高效地反射已经在增幅盘中经过多次反射的光，特别是在光强度高时。因此，激光自动进入脉冲模式。“迄今为止，能够实现与我们现在所取得的功率相当的脉冲，只能通过将较弱的激光脉冲送入激光外部的多个独立放大器来完成，”赛德尔说。这样做的缺点是，放大也会导致更多的噪声，对功率波动的影响，特别是在精密测量中造成问题。为了直接在激光振荡器中产生高功率，研究人员不得不解决许多棘手的技术问题，例如，如何将SESAM镜子的半导体层与一层薄蓝宝石窗口连接，这大大改善了镜子的性能。“当这一切最终奏效，我们看到激光创建脉冲时——那真的很酷，”赛德尔说。

    放大器的替代方案

    乌尔苏拉•凯勒对这些结果也感到非常兴奋，并表示：“我们...期待能够非常有效地将这些脉冲缩短到几个周期的范围，这对产生阿秒脉冲至关重要。”根据凯勒的说法，这种新激光所实现的快速且强的脉冲，可能在紫外线到X射线范围的新型频率梳中得到应用，这可能导致更加精确的时钟。“梦想是有一天能够证明，自然常数并非真的恒定，”凯勒说。此外，激光还可以产生波长远大于可见光或红外光的太赫兹辐射，然后可以用来测试材料。“总的来说，凭借我们的脉冲激光器，我们展示了激光振荡器是放大器激光系统的一个良好替代方案，并且能够实现新的更好的测量，”凯勒说。