研究人員開發出一種雷射器，可產生迄今為止最強的超短雷射脈衝

雷射這個詞通常會讓人聯想到強烈集中且連續的光束的圖像。事實上，產生這種光的雷射非常常見且有用。然而，科學和工業通常也需要非常短而強的雷射脈衝。

這些脈衝可用於加工材料或產生高達 X 射線的高諧波頻率，這有助於使阿秒範圍（十億分之一秒）內的極快過程可見。

由量子電子研究所教授 Ursula Keller 領導的蘇黎世聯邦理工學院研究小組現已創造了此類雷射脈衝的新記錄：在 550 瓦的平均功率下，它們超出了先前的最大值 50% 以上，這使得它們是雷射振盪器有史以來產生的最強脈衝。

同時，它們非常短——持續時間不到一皮秒，或百萬分之一秒——並以每秒五百萬個脈衝的高速率以規則的順序離開雷射。短脈衝達到 100 兆瓦的峰值功率（理論上，這足以在短時間內為 100,000 台吸塵器供電）。

研究人員最近在期刊上發表了他們的研究結果光學的。

在過去的 25 年裡，凱勒的研究小組一直致力於不斷改進所謂的短脈衝盤雷射器，其中由一個厚度僅 100 微米的薄盤組成，該盤由含有鐿原子的晶體組成。

凱勒和她的同事一次又一次地遇到新問題，這些問題最初阻礙了權力的進一步增加。很多時候，會發生雷射內部不同部件被毀壞的壯觀事件。解決這些問題帶來了新的見解，使工業應用中也很流行的短脈衝雷射變得更加可靠。

“更高的功率和凱勒實驗室的博士生 Moritz Seidel 解釋說：「我們現在實現的 5.5 兆赫茲的速率是基於兩項創新。」一方面，他和他的同事使用了一種特殊的鏡子佈置，可以將在雷射通過外耦合鏡離開雷射之前，雷射會多次穿過圓盤。

「這種安排使我們能夠極大地放大光線，而不會導致雷射變得不穩定，」塞德爾說。

第二項創新涉及脈衝雷射的核心：由以下材料製成的特殊鏡子：，它是由 Keller 三十年前發明的，其縮寫為 SESAM（半導體可飽和吸收鏡）。與普通鏡子不同，SESAM 的反射率取決於照射到其上的光線強度。

得益於 SESAM 的豆類

使用 SESAM，研究人員引導雷射發出短脈衝而不是連續光束。脈衝具有較高的強度，因為光能集中在較短的時間內。雷射要發出激光，其內部的光強度必須超過一定的閾值。

這就是 SESAM 發揮作用的地方：它多次反射已經穿過放大盤的光，如果光強度很高，效率特別高。結果，雷射自動進入脈衝模式。

塞德爾說：“到目前為止，只有通過激光器外部的幾個單獨的放大器發送較弱的激光脈衝，才能獲得與我們現在所達到的功率相當的脈衝。”

這樣做的缺點是放大也會導致更多的噪聲，與功率波動相對應，這會導致問題，特別是在精確測量中。

為創造高直接使用雷射振盪器，研究人員必須解決許多棘手的技術問題，例如如何在SESAM鏡的半導體層上附著薄薄的藍寶石窗口，從而極大地提高鏡的性能。

「當它最終起作用時，我們看到雷射如何產生脈衝？這真的很酷，」塞德爾說。

擴大機的替代品

Ursula Keller 也對這些結果感到興奮，她說：“我們……期望能夠非常有效地將這些脈衝縮短到幾個週期的範圍，這對於創建阿秒脈衝非常重要。”

凱勒表示，新型雷射產生的快速且強烈的脈衝也可以應用於紫外線到 X 射線範圍內的新型頻率梳，這可能會帶來更精確的時鐘。

「有一天，我們的夢想是證明自然常數畢竟不是恆定的，」凱勒說。也,其波長比可見光或紅外光長得多，可以用雷射產生，然後用於測試材料等。

「總而言之，可以說，透過我們的脈衝雷射器，我們已經證明雷射振盪器是基於放大器的雷射系統的良好替代品，並且它們可以實現新的、更好的測量，」凱勒說。