两位 RIKEN 物理学家已经实现了峰值功率为 6 太瓦(6 万亿瓦)的极短激光脉冲，大约相当于 6,000 座核电站产生的功率。这一成果将有助于进一步开发阿秒激光器，三名研究人员因此荣获2023年诺贝尔物理学奖。该成果发表在《自然·光子学》杂志上。

就像相机闪光灯可以“冻结”快速移动的物体，使它们在照片中看起来好像静止一样一样，极短的激光脉冲可以帮助照亮超快的过程，为科学家提供一种强大的方法来成像和探测它们。

例如，阿秒量级的激光脉冲(一阿秒= 10 – 18秒)非常短，以至于可以揭示原子和分子中电子的运动，为发现化学和生化反应如何演化提供了一种新方法。即使是光也能在如此短的时间尺度上爬行，大约需要 3 阿秒才能穿过一纳米。

RIKEN 高级光子学中心 (RAP) 的 Eiji Takahashi 表示：“通过捕获电子的运动，阿秒激光器为基础科学做出了重大贡献。” “它们预计将用于广泛的领域，包括观察生物细胞、开发新材料和诊断医疗状况。”

力量和冲力

但是，虽然可以产生超短激光脉冲，但它们缺乏足够的冲击力，能量较低。创造超短且高能量的激光脉冲将极大地扩展其可能的用途。 “目前阿秒激光器的输出能量极低，”高桥说。 “因此，如果要将它们用作广泛领域的光源，那么增加它们的输出能量至关重要。”

正如音频放大器用于增强声音信号一样，激光物理学家使用光学放大器来增加激光脉冲的能量。这些放大器通常采用对光表现出特殊响应的非线性晶体。但是，如果这些晶体用于放大单周期激光脉冲，它们可能会受到不可挽回的损坏，单周期激光脉冲非常短，以至于脉冲在光振荡通过整个波长周期之前就结束了。

高桥解释道：“高能、超快红外激光源发展的最大瓶颈是缺乏直接放大单周期激光脉冲的有效方法。” “这一瓶颈导致单周期激光脉冲的能量出现一毫焦耳的障碍。”

新纪录

现在，高桥和RAP同事陆旭不仅突破了这个障碍，而且还冲破了它。他们已将单周期脉冲放大到 50 毫焦耳以上，是之前最大努力的 50 倍以上。由于产生的激光脉冲非常短，这种能量会转化为数太瓦的令人难以置信的高功率。

“我们已经展示了如何通过建立放大单周期激光脉冲的有效方法来克服瓶颈，”高桥说。

他们的方法被称为先进的双线性调频光学参量放大(DC-OPA)，非常简单，只涉及两个晶体，可以放大光谱的互补区域。

高桥说：“用于放大单周期激光脉冲的先进 DC-OPA 非常简单，仅基于两种非线性晶体的组合，这感觉像是任何人都可以想出的想法。” “令我惊讶的是，如此简单的概念提供了一种新的放大技术，并导致高能超快激光器的发展取得突破。”

重要的是，先进的 DC-OPA 可在非常广泛的波长范围内工作。高桥和徐能够放大波长相差两倍以上的脉冲。高桥说：“这种新方法具有革命性的特点，可以使放大带宽超宽，而不会影响输出能量缩放特性。”

扩增技术

他们的技术是另一种光脉冲放大技术的变体，称为“啁啾脉冲放大”，来自美国、法国和加拿大的三名研究人员因此获得了 2018 年诺贝尔物理学奖。2018 年的诺贝尔物理学奖与该技术之间存在着有趣的联系。和 2023 年的奖项，因为啁啾脉冲放大是促进阿秒激光器发展的技术之一。

高桥预计他们的技术将进一步推动阿秒激光器的发展。 “我们成功地开发了一种新的激光放大方法，可以将单周期激光脉冲的强度提高到太瓦级峰值功率，”他说。 “这无疑是高功率阿秒激光器发展的重大飞跃。”

从长远来看，他的目标是超越阿秒激光器并创造更短的脉冲。

“通过将单周期激光器与高阶非线性光学效应相结合，很可能产生时间宽度为泽秒(一泽秒 = 10 –21秒)的光脉冲，”他说。 “我的长期目标是敲开泽秒激光研究的大门，开辟继阿秒激光器之后的下一代超短激光器。”