【技术动态】苏黎世联邦理工学院的研究团队开发出能产生迄今为止最强超短激光脉冲的激光器

说到激光，人们通常会联想到一束高度集中的连续光束，实际上产生这种光的激光器非常常见，也非常有用。然而，科学和工业往往也需要非常短而强的激光脉冲。这些脉冲可用于加工材料或产生高达 X 射线的高谐波频率，这有助于在阿秒范围内看到极快的过程。

整个系统的概览：图片中央为激光器，前景为反射和重定向激光束的透镜和反射镜。图片来源：Moritz Seidel / ETH Zürich。

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（ETH Zurich）研究团队现在已经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，它们的持续时间极短（不到一皮秒），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 100MW。

图 1：使用掺镱增益介质的半导体可饱和吸收反射镜（SESAM）和克尔透镜模型（KLM）碟片激光振荡器概览。资料来源：Moritz Seidel, Lukas Lang, Christopher R. Phillips, and Ursula Keller，《Ultrafast 550-W average-power thin-disk laser oscillator》，《Optica》（2024）。

研究人员最近在《Optica》上发表了他们的研究成果。

在过去的 25 年中，Keller 的研究团队一直致力于不断改进所谓的短脉冲碟片激光器，这种激光器的激光材料由一个厚度仅为 100μm 的薄片组成，薄片上的晶体含有镱原子。

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。经常会发生激光器内部不同部件被破坏的惊人事故。这些问题的解决带来了新的启示，使在工业应用中也很流行的短脉冲激光器变得更加可靠。

Keller 实验室的博士生 Moritz Seidel 解释说：“我们现在实现的更高功率和 5.5MHz 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碟片，然后再通过一个输出耦合反射镜离开激光器。Seidel 补充说：“这种布置使我们能够极大地放大光，而不会让激光变得不稳定。”

图 2：激光腔体设计。资料来源：Moritz Seidel, Lukas Lang, Christopher R. Phillips, and Ursula Keller，《Ultrafast 550-W average-power thin-disk laser oscillator》，《Optica》（2024）。

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，早在三十年前就由 Keller 发明，其缩写为 SESAM（半导体可饱和吸收反射镜），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

利用SESAM，研究人员诱导他们的激光器发出短脉冲，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碟片的光，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，只有通过激光器外部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所获得的功率相当的脉冲。”

这样做的缺点是，放大也会导致更多噪声（即功率波动），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 反射镜的半导体层上附加一层薄的蓝宝石窗口，这将大大改善反射镜的性能。

图 3：用于此结果的 SESAM 。资料来源：Moritz Seidel, Lukas Lang, Christopher R. Phillips, and Ursula Keller，《Ultrafast 550-W average-power thin-disk laser oscillator》，《Optica》（2024）。

Seidel 说：“当它最终成功时，我们看到了激光是如何产生脉冲的。”

图 4： 振荡器的输出诊断。(a) 连续波（蓝色）和锁模（红色）情况下的功率斜率，以及选定数据点的光对光效率。(b) 最高输出功率为 550W 时的远场光束质量测量和光束轮廓。(c) 光谱显示 FWHM 为 1.409 nm，变换极限 (TL) 为 790fs 。(d) 自相关光谱显示脉宽为 852fs，插图显示无卫星脉冲的长时间窗口。(e) 微波频谱显示重复频率为 5.5MHz，并显示在 300Hz 分辨率带宽的重复频率周围无边带的干净锁模。(f) 微波频谱跨度达 200MHz，以 10KHz 的分辨率带宽显示重复率的36次谐波。(b)至(f)所示的所有测量均在平均输出功率为 550W 的情况下进行。资料来源：Moritz Seidel, Lukas Lang, Christopher R. Phillips, and Ursula Keller，《Ultrafast 550-W average-power thin-disk laser oscillator》，《Optica》（2024）。

放大器的替代品

Ursula Keller 也对这些成果感到兴奋，她说：“我们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。”

Keller 认为，新型激光器所产生的超快强脉冲还可以应用于紫外到 X 射线范围内的新型频率梳，从而产生更加精确的时钟。

Keller 说：“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光要长得多，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。”

参考文献：Moritz Seidel, Lukas Lang, Christopher R. Phillips, and Ursula Keller，《Ultrafast 550-W average-power thin-disk laser oscillator》，《Optica》（2024）。