日本國立研究開發法人量子科學技術研究開發機構（簡稱QST）關西光量子科學研究所光量子束科學研究部的桐山博光團隊負責人，聯合同志社大學理工學部的研究團隊，開發出一項能夠將多束雷射以30萬億分之一秒的時間精度進行同步疊加，突破了長期被認為難以逾越的雷射輸出功率壁壘。由此實現了約為既往疊加技術1000倍的峰值輸出。相關成果已發表在《Optics Letters》的線上版上。
圖1 介紹研究成果的桐山博光（圖片提供：科學新聞社）
要提高雷射輸出功率，主流方式是擴大光束口徑，但這種方法的設備大型化已接近極限。因此，此前有人提出了將多束雷射疊加產生強光的相干光束合成法。然而，既往方法需要對齊時序以防止相位偏移，因此無法適用於脈寬約為30萬億分之一秒的雷射。
研究團隊構思了一種全新的相干光束合成法，使多束雷射在傳播同一光學路徑的同時進行放大，從而實現了約1.2太瓦的峰值輸出，比既往疊加方式的最高輸出高出約3個數量級。桐山團隊負責人表示：「使用同一光學路徑時，哪怕反射鏡只有極微小的偏移都會導致失敗。為了能夠簡單且高精度地調整反射鏡，我們用了近10年時間反覆進行實驗和改進，終於實現了這一技術」。
圖2．通過新構思的相干合成裝置獲得的實驗結果（圖片提供：量子科學技術研究開發機構）
應用這套全新相干光束合成法，就有可能實現與光束數量成正比的高峰值輸出。目前，全球最高水平為中國創下的拍瓦級峰值輸出，但若應用新方式，則有望實現艾瓦級。高功率雷射不僅可應用於極限物質科學等基礎科學，還可拓展至半導體光刻、重粒子線治療裝置、雷射核融合等領域。研究團隊今後將推進相關研討，致力於搭建可供共享使用的大功率雷射裝置。
原文：《科學新聞》
翻譯：JST客觀日本編輯部
【論文資訊】
期刊：Optics Letters
論文：Femtosecond terawatt pulses by multi-dimensional passive coherent beam combining with a Ti:sapphire amplifier
DOI：doi.org/10.1364/OL.608196
