研究科學(xué)家Tong Zhou（左）和Siyun Chen在ATAP的光纖激光器實(shí)驗(yàn)室研究多個(gè)光纖激光器的光譜組合。

據(jù)《激光制造網(wǎng)》了解，最近的《Optics Express》發(fā)布了一篇來自加利福尼亞伯克利實(shí)驗(yàn)室加速器技術(shù)與應(yīng)用物理部門（ATAP）的論文，論文稱該部門的一組研究人員開發(fā)了一種新技術(shù)，可以將不同波長(zhǎng)的光纖激光器組合在一起，產(chǎn)生超短激光脈沖。該團(tuán)隊(duì)表示，這項(xiàng)研究或可推動(dòng)激光等離子體加速器（LPA）的發(fā)展，還可能推動(dòng)高能物理的前沿，并在材料科學(xué)、聚變研究和許多其他領(lǐng)域獲得新發(fā)現(xiàn)。

LPA使用穿過等離子體的強(qiáng)超快激光脈沖來加速帶電粒子，其速度是當(dāng)前技術(shù)的一千倍。與傳統(tǒng)加速器相比，這些設(shè)備的結(jié)構(gòu)更緊湊，功能更強(qiáng)大，建造和運(yùn)行成本更低。

目前，大多數(shù)LPA使用的激光脈沖重復(fù)頻率僅為幾赫茲；然而，ATAP的研究人員Siyun Chen表示，要想充分發(fā)揮LPA的潛力，需要能夠產(chǎn)生重復(fù)率在千赫茲或更高的超短、高能激光脈沖的大功率激光系統(tǒng)。

她補(bǔ)充道，這些限制對(duì)產(chǎn)生這種脈沖的激光系統(tǒng)提出了苛刻的要求。因此，研究人員將目光轉(zhuǎn)向了光纖激光器，她解釋說，光纖激光器是 “迄今為止已證明的最高效的高功率激光技術(shù)，而且還具有廣泛的工業(yè)發(fā)展前景，可以在我們的工作中加以利用”。

雖然光纖激光器產(chǎn)生的脈沖能量和功率可以通過在空間和時(shí)間上組合多個(gè)脈沖來放大，但這些脈沖目前僅限于100飛秒左右，不夠短，無法驅(qū)動(dòng)LPA。

領(lǐng)導(dǎo)這項(xiàng)新技術(shù)開發(fā)的ATAP研究科學(xué)家Tong Zhou解釋說：“雖然光纖激光器系統(tǒng)具有最高的壁插效率（電光功率效率），但在這些系統(tǒng)中放大的超短激光脈沖頻譜卻很窄?！?/p>

壓縮后的自相關(guān)測(cè)量軌跡（組合脈沖和每個(gè)通道的脈沖）以及組合頻譜的變換限制脈沖的自相關(guān)計(jì)算軌跡。

“這種增益收窄是激光脈沖以這種方式放大時(shí)產(chǎn)生的基本效應(yīng)；脈沖光譜越窄，持續(xù)時(shí)間就越長(zhǎng)。因此，高功率光纖激光器要產(chǎn)生短于約100飛秒的脈沖非常具有挑戰(zhàn)性”。

然而，通過對(duì)在相鄰波長(zhǎng)范圍內(nèi)工作的多個(gè)激光脈沖進(jìn)行光譜組合，該團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了超寬組合光譜，能夠支持?jǐn)?shù)十飛秒的超短脈沖。

為了增加帶寬并產(chǎn)生數(shù)十飛秒長(zhǎng)的脈沖，研究人員首先使用了一個(gè)鎖模振蕩器和摻鐿光纖放大器，以 100 MHz 的重復(fù)頻率產(chǎn)生120飛秒的脈沖。這些脈沖被送入光子晶體光纖，其光譜從27納米擴(kuò)大到90納米。

Siyun Chen說："這種超寬帶光譜組合與合成脈沖整形產(chǎn)生的脈沖持續(xù)時(shí)間只有42飛秒，大大短于三個(gè)光纖通道各自產(chǎn)生的脈沖。“我們相信，這是迄今為止光譜組合鐿光纖激光系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的最短脈沖持續(xù)時(shí)間。”

Tong Zhou說：“雖然這項(xiàng)工作展示了迄今為止能量較低的超快脈沖，但它展示了超寬帶光譜組合和相干光譜合成脈沖整形的關(guān)鍵原理，并為使用光纖激光器驅(qū)動(dòng) LPA 提供了前進(jìn)的道路?！?/p>

該團(tuán)隊(duì)計(jì)劃增加更多的放大級(jí)，并實(shí)施能夠在空間、時(shí)間和光譜上組合光纖激光器的多維技術(shù)，以產(chǎn)生高能量的數(shù)十飛秒激光脈沖。