阿秒量级的极短激光脉冲为探测和成像超短过程(如原子和分子中电子的运动)提供了一种强大的方法。
虽然可以产生超短激光脉冲，但产生超短和高能量的脉冲是一个持续的挑战。为了扩大孤立阿秒脉冲的光子能量、光子通量和连续带宽，有必要开发稳定、高能、长波长的单周期激光源。
RIKEN 高级光子学中心的研究人员开发了一种产生高能单周期 MIR 脉冲的方法。该方法被称为先进双啁啾光学参量放大(先进DC-OPA)，将单周期激光脉冲的能量提高了50倍，可用于产生峰值功率为6太瓦的极短脉冲。
“目前阿秒激光器的输出能量极低，”研究员高桥英二说。“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。”
研究人员使用两种类型的非线性晶体来开发先进的 DC-OPA——三硼酸铋氧化物 (BiB 3 O 6 ) 和掺杂氧化镁的铌酸锂 (MgO:LiNbO 3)。晶体放大了光谱的互补区域。
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。” “令我惊讶的是，如此简单的概念提供了一种新的放大技术，并在高能、超快激光器的发展中带来了突破。”
非线性晶体的损伤阈值限制了 OPA 在较大脉冲能量下的能量可扩展性。高桥说：“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。”
先进的 DC-OPA 方法克服了使用单周期 IR/MIR 激光系统的脉冲能量可扩展性的瓶颈。
研究人员使用先进的 DC-OPA 和 10 Hz 焦耳级 Ti:sapphire 泵浦激光器。非线性晶体被组合在参量放大器的每一级中。通过这种设置，研究人员能够放大超过一个倍频程带宽的 MIR 脉冲，脉冲能量为 53 毫焦耳，中心位置为 2.44 µm。使用蓝宝石块体实施脉冲压缩后，瞬时脉冲持续时间达到 8.58 飞秒，相当于 2.44 µm 处的 1.05 个周期。
“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。
先进的 DC-OPA 可以在广泛的波长范围内工作。高桥和他的同事研究员陆旭证明了该方法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，而不影响输出能量缩放特性。”
该团队预计先进的 DC-OPA 方法将推动阿秒激光技术向前发展。高桥说：“我们成功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。” “这无疑是高功率阿秒激光器发展的重大飞跃。”
由于先进的DC-OPA方法具有出色的能量可扩展性，基于不同的晶体组合和更高的泵浦能量，可以实现具有更高脉冲能量和更少脉冲持续时间周期数的激光脉冲。脉冲能量的扩展可以促进强场物理研究的高通量检测条件。
高桥认为，通过捕获电子的运动成为可能，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，”他说。
高桥的最终目标是超越阿秒激光器的速度并产生更短的脉冲。“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。”
