
超强超短激光器作为一种尖端科技工具,在众多领域如物理研究、国家安全防御、工业制造及医疗保健等方面发挥着重要作用。它们在强场激光物理学、激光驱动辐射源、粒子加速等诸多课题中扮演着核心角色。衡量这类激光器威力的一个重要指标是“峰值功率”,例如美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室的Nova激光器峰值功率达到了1.5拍瓦,中国上海超强超快激光装置(SULF)的峰值功率更是高达10拍瓦,罗马尼亚的极光基础设施-核物理(ELI-NP)同样拥有10拍瓦的峰值功率。
然而,在实际应用和实验中,最关键的因素是激光对目标的聚焦强度,而非单纯的峰值功率。通过使用离轴抛物面镜将激光聚焦到实验目标上,聚焦强度体现了激光器的实际效能,对用户来说更为关键。目前,这些激光器的光束孔径一般在150至500毫米之间,其F数(直接影响聚焦能力的参数)介于2至10。
近期,《Advanced Photonics Nexus》报道了一项创新技术:在原有的抛物面镜后添加旋转双曲面镜,可以显著降低F数,进而大幅缩小激光焦点尺寸。据报道,这种二次聚焦技术有望将F数降低五倍,从而使超强超短激光的焦斑尺寸压缩至单个波长尺寸,这是一个重大的技术飞跃。
上海光学精密机械研究所超强激光科学与技术重点实验室的李朝阳博士作为通讯作者,指出这项技术的重大意义在于实现前所未有的精细焦斑:“通过采用双曲镜进行二次聚焦,我们可以将超强超短激光的光斑尺寸从几个波长级别缩减到仅一个波长级别,从而达到可能的最小焦斑尺寸。”
李朝阳与其团队的研究报告显示,不论是现有的飞秒拍瓦级激光器,还是未来的单周期拍瓦级激光器,只要加入优化设计的旋转双曲镜,就有可能实现单波长级别的焦点聚焦。与此同时,结合他们前期提出的广角非共线光学参量啁啾脉冲放大(WNOPCPA)方法,有望实现将所有激光能量高度集中到一个以激光中心波长为边长的时空焦点立方体中,这无疑将极大地提升超强超短激光在诸如真空量子电动力学等强场激光物理应用中的实验效果与能力。