突破功率與脈寬固有矛盾：100TW亞雙周期激光脈沖為超快科學拓展新邊界

     近日，由瑞典于默奧大學與匈牙利ELIALPS研究中心組成的國際研究團隊，在《NaturePhotonics》發表一項突破性成果。該團隊通過創新技術方案，成功實現峰值功率100太瓦（TW）與脈沖持續時間4.3飛秒（fs）的亞雙周期激光輸出，首次將超高功率與超短脈沖持續時間相結合，為阿秒科學、相對論等離子體物理等前沿領域提供了關鍵技術支撐。

    激光加工技術的核心挑戰：功率與脈寬的協同難題

    近幾十年來，超快激光技術始終沿兩大方向持續發展：其一，追求更高峰值功率以構建極端物理條件，探索物質在高能狀態下的特性與規律；其二，追求更短脈沖持續時間以實現更高時間分辨率，捕捉原子、電子層面的超快動力學過程。

    然而，傳統激光系統受限于物理機制的固有約束，難以同時達成上述目標。從原理而言，縮短脈沖持續時間需依賴更寬的光譜帶寬，但多數激光增益介質的帶寬存在固有局限；提升峰值功率則需延長能量放大路徑并增加能量存儲量，這又會限制脈沖的壓縮程度，形成難以調和的矛盾。以傳統鈦寶石激光系統為例，其增益帶寬的局限性使其無法兼顧“短脈沖”與“高功率”的雙重需求。

    創新技術路徑：雙維度突破矛盾瓶頸

    研究團隊以光參量啁啾脈沖放大（OPCPA）技術為核心突破口。相較于鈦寶石激光系統，OPCPA技術具備支持更寬增益帶寬的顯著優勢，為實現少周期脈沖（脈沖持續時間接近光的一個周期）奠定了基礎。為使OPCPA技術真正實現100TW級功率輸出，團隊針對性解決了三大關鍵技術難題：

    串行相干場合成技術

    為獲取亞雙周期脈沖所需的超寬光譜帶寬，團隊采用串行相干場合成技術，將580-1020nm的全光譜范圍劃分為紅光（700-1020nm）與藍光（580-700nm）兩個互補區域，分別進行放大后再實現相干合成。該技術如同對光譜分量進行“分聲部放大”，既保障了各光譜區域的高效能量放大，又維持了不同頻率分量間的相位同步性。

    增強型OPCPA結構設計

    團隊研發的“光波合成器100（LWS100）”系統采用三級增強型OPCPA結構，每一級均包含兩個光參量放大器：其一由532nm二次諧波泵浦，負責放大紅光區域（700-1020nm）；其二由355nm三次諧波泵浦，負責放大藍光區域（580-700nm）。同時，系統選用β相偏硼酸鋇（BBO）晶體作為非線性介質，通過精確控制相位匹配角度（藍光區域θ=34.54°，紅光區域θ=23.73°）與非共線角度，確保不同波長光的同步放大。

    系統性能指標：從穩定性到超分辨率的全面突破

    LWS100系統展現出卓越的綜合性能：其輸出脈沖持續時間達4.3fs，屬于亞雙周期脈沖（小于可見光兩個周期的持續時間），峰值功率達100TW，聚焦強度可突破1021W/cm2，進入超相對論強度范疇。

    在載波包絡相位（CEP）穩定性方面，系統通過被動穩定前端設計與反饋控制相結合的方式，實現了優于300mrad的CEP穩定性，且在連續一小時測試中，CEP漂移始終控制在2π范圍內，為高相位精度要求的阿秒科學實驗提供了可靠保障。

    時間對比度（主脈沖與預脈沖強度比）是高功率激光系統的另一關鍵指標。該系統通過全OPCPA架構優化及聲光可編程色散濾波器（Dazzler）的合理布局，將時間對比度提升至11個數量級以上，有效抑制了預脈沖干擾。

    此外，團隊通過光譜幅度整形技術，選擇性切除745-825nm范圍的光譜分量，成功將脈沖持續時間進一步壓縮至3.7fs，實現亞4fs脈沖輸出。盡管此時峰值功率降至25TW，但仍可滿足多種超快光譜學與阿秒科學實驗需求。

    未來展望：向拍瓦級亞周期脈沖邁進

    “此項技術的突破性在于首次實現100TW級功率與亞雙周期脈沖的結合，”論文作者、于默奧大學LaszloVeisz教授表示，該成果為阿秒物理學、極端非線性光學、相對論等離子體物理等領域提供了全新研究工具，有望推動人類對微觀世界超快過程的認知與操控能力。

    研究團隊指出，該技術在重復頻率、光譜帶寬、脈沖持續時間及能量等方面具有可擴展性。未來通過優化串行場合成與色散控制技術，有望實現拍瓦（1拍瓦=1000太瓦）級亞周期脈沖（脈沖持續時間短于光的一個周期），進一步拓展超快激光技術在前沿科學領域的應用邊界。