苏黎世联邦理工学院的研究团队近期开发出了一种能够产生迄今为止最强超短脉冲的激光器。未来，这种高功率的脉冲激光或将在精密测量和材料加工领域大展身手。
通常，激光器会被认为是一束强而连续的光。然而，科学和工业领域则需要极短而高能量的激光脉冲，这些脉冲不仅可以用于材料加工，还能产生频率高达X射线的高次谐波，使得我们能够观察到极为快速的过程，例如阿秒（10⁻¹⁸秒）量级的变化。此次由苏黎世联邦理工学院量子电子学研究所的Ursula Keller教授所带领的团队创下了激光脉冲新纪录——该激光器在550瓦的平均功率下产生的脉冲强度比以往提升了50%以上。这些脉冲的持续时间不到1皮秒（10⁻¹²秒），以每秒500万次的频率有序输出，峰值功率高达100兆瓦（相当于短时间内为10万台吸尘器供电）。研究成果已发表在《Optica》期刊上。
激光器内部图：显示了圆形放大器盘，激光束通过它多次（中心的亮点）图源：公开网络
在过去的25年间，Keller教授的团队专注于短脉冲盘片激光器的改进。该激光器的核心材料为一块厚度仅100微米的镱掺杂晶体薄片。在这一过程中，研究团队不断遇到新的挑战，解决这些问题不仅提升了激光器的可靠性，也为工业应用中的短脉冲激光器提供了借鉴。
Ursula Keller 图源：公开网络
实验室的博士生Moritz Seidel表示，这次突破基于两项创新技术。首先，研究人员设计了一种特殊的镜面排列方式，使激光在发射之前能够多次通过盘片放大而不导致不稳定性。其次，团队应用了Keller教授三十年前发明的SESAM（半导体可饱和吸收镜）技术。SESAM的独特之处在于其反射率随光强变化，从而促使激光器发出脉冲而非连续光束。由于SESAM可以高效反射强光，激光器得以自动切换到脉冲模式，获得高强度的短脉冲。
整个系统概览：激光器位于图像中央，前景中的透镜和反射镜用于反射和引导激光束 图源：公开网络
Seidel指出，以往要达到这一功率，通常需要将激光脉冲在多个独立的放大器中进行放大，然而这种方式会引入噪声，从而影响精密测量的精度。为了在激光振荡器内直接实现高功率输出，研究团队还通过在SESAM反射镜的半导体层上附加一层薄蓝宝石窗口来提升镜面性能。Seidel称，当看到激光器顺利发出脉冲时，团队感到非常振奋。
展望未来，Keller教授对这一成果充满期待，并感谢ETH Zurich及瑞士国家基金的长期支持。她指出，团队正在努力进一步缩短脉冲周期，期望能够生成阿秒级的极短脉冲。此外，这种新型激光器的快速强脉冲也有望在紫外至X射线频率梳、极精确的时钟等方面发挥作用。正如Keller所说：“我们的研究表明，激光振荡器不仅是放大器系统的良好替代方案，还能够提供新的测量方式，带来更高的测量精度。”
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