超越10 PW的极限：相干拼接钛宝石激光放大技术
超强超短激光超强超短激光是指那些具有极高的峰值功率和极短的脉冲宽度的激光，它们的峰值功率一般在1PW以上，脉冲宽度一般在几十飞秒以下。这样的激光可以产生极高的光强，达到10^22 W/cm^2 甚至更高，这相当于地球表面上太阳辐射的10^13倍！
在这样的光强下，物质会发生一些非常奇妙的现象，比如电子会被从原子核周围剥离，形成等离子体；电子会受到强烈的辐射反冲力，导致能量损失和轨道变化；真空会出现双光子对生成和双光子光电效应等效应；甚至可以模拟黑洞和引力波等天体物理现象。这些现象都属于强场量子电动力学的范畴，是目前物理学的前沿课题之一。 钛宝石激光器要产生超强超短激光，我们需要一种特殊的激光器，它的名字叫做钛宝石激光器。钛宝石激光器是一种利用钛掺杂的宝石晶体作为增益介质的固体激光器，它有几个优点，比如：它的增益带宽很宽，可以支持几十飞秒的超短脉冲；它的热导率很高，可以承受高功率的泵浦光；它的非线性效应很小，可以避免脉冲失真和损耗。 钛宝石激光器的工作原理是这样的：首先，我们需要一个低功率的连续波或脉冲激光作为种子光，它的波长一般在800 nm左右，这是钛宝石晶体的增益峰值处；然后，我们需要一个高功率的脉冲激光作为泵浦光，它的波长一般在500 nm左右，这是钛宝石晶体的吸收峰值处；接着，我们把种子光和泵浦光同时输入到钛宝石晶体中，让它们在空间和时间上重合，这样就可以实现对种子光的放大；最后，我们把放大后的种子光通过一个色散补偿装置，把它的脉冲拉伸到最短，这样就可以得到超强超短的激光输出。这个过程叫做啁啾脉冲放大，是目前产生超强超短激光的主要技术。
相干拼接钛宝石激光放大钛宝石激光器虽然很优秀，但是它也有一些局限性，比如：钛宝石晶体的尺寸受到制造工艺的限制，一般不超过10 cm，这就限制了激光的能量；钛宝石晶体的边缘会产生横向放大自发辐射，这会消耗泵浦能量，降低放大效率，影响输出质量；钛宝石晶体的内部会产生寄生振荡，这会进一步消耗泵浦能量，导致放大饱和，限制输出功率。 这些局限性使得钛宝石激光器的峰值功率难以突破10 PW，这就是我们所说的10 PW的极限。那么，有没有办法打破这个极限呢？答案是有的，就是相干拼接钛宝石激光放大。 相干拼接钛宝石激光放大的思想是这样的：首先，我们把多个小尺寸的钛宝石晶体拼接在一起，形成一个大尺寸的钛宝石晶体阵列，这样就可以增加激光的能量；然后，我们在每个钛宝石晶体的边缘加上一个吸收层，这样就可以抑制横向放大自发辐射，提高放大效率，改善输出质量；接着，我们在每个钛宝石晶体的两端加上一个反射层，这样就可以阻止寄生振荡，减少泵浦能量的损失，增加输出功率；最后，我们用一个相干合束装置，把每个钛宝石晶体的输出光在空间和时间上相干地合成一个单一的激光束，这样就可以得到超强超短的激光输出。这个过程就叫做相干拼接钛宝石激光放大。
优势和挑战相比于传统的钛宝石激光器，相干拼接钛宝石激光放大有以下几个优势：它可以突破单个钛宝石晶体的尺寸限制，实现任意大的能量输出；它可以有效地抑制横向放大自发辐射和寄生振荡，提高放大效率和输出质量；它可以利用相干合束技术，实现高功率和高光强的输出。 这些优势使得相干拼接钛宝石激光放大成为一种有潜力的技术，可以打破当前超强激光的10 PW的极限，甚至达到40 PW或更高的峰值功率，从而为强场量子电动力学和宇宙学等领域的研究提供了新的工具。 当然，相干拼接钛宝石激光放大也面临着一些挑战，比如：如何保证每个钛宝石晶体的输出光的相位和偏振的一致性，以实现高质量的相干合束；如何设计一个高精度的相干合束装置，以实现高效率的光能利用；如何控制每个钛宝石晶体的温度和应力，以避免热效应和光学损伤。这些挑战需要我们进行更多的理论和实验的研究，以找到最优的技术方案和参数。 |
