發(fā)明新型“孤立子”激光器，萬(wàn)億分之一秒內(nèi)就能達(dá)到峰值能量！

科學(xué)家開(kāi)發(fā)出一種新型激光器，可以在很短的時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生大量能量，在眼科和心臟手術(shù)或精細(xì)材料工程中具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。悉尼大學(xué)光子學(xué)和光學(xué)科學(xué)研究所所長(zhǎng)馬提金·德·斯特克教授說(shuō)：這種激光器的特性是，當(dāng)脈沖持續(xù)時(shí)間減少到萬(wàn)億分之一秒以下時(shí)，能量也可以“瞬間”達(dá)到峰值，這使得它成為處理需要短而強(qiáng)大脈沖材料的理想候選者。

一種應(yīng)用可能是角膜手術(shù)，這依賴于輕輕地將物質(zhì)從眼睛中移除，這需要不會(huì)加熱和損害表面強(qiáng)而短的光脈沖，其研究成果發(fā)表在《自然光子學(xué)》期刊上?？茖W(xué)家通過(guò)回歸一種在電信、計(jì)量學(xué)和光譜學(xué)中常見(jiàn)的簡(jiǎn)單激光技術(shù)，取得了這一顯著結(jié)果。這些激光器使用一種稱為“孤立子”波的效應(yīng)，這是一種在很長(zhǎng)距離內(nèi)保持形狀的光波。孤立子在19世紀(jì)初首次被發(fā)現(xiàn)，然而它不是在光中發(fā)現(xiàn)的，而是在英國(guó)工業(yè)運(yùn)河的水波中發(fā)現(xiàn)。

來(lái)自物理學(xué)院的主要作者Antoine Runge博士說(shuō)：光中的孤立子波，保持其形狀的事實(shí)，意味著它們?cè)诎娦藕凸庾V分析在內(nèi)的廣泛應(yīng)用中都極好。然而，盡管產(chǎn)生這些孤立子的激光器很容易制造，但它們不會(huì)帶來(lái)太大的沖擊力。要產(chǎn)生制造中使用的高能光脈沖，需要完全不同的物理系統(tǒng)。該研究的合著者、美國(guó)諾基亞貝爾實(shí)驗(yàn)室的硅光子學(xué)負(fù)責(zé)人Andrea Blanco-Redondo博士說(shuō)：

孤立子激光是實(shí)現(xiàn)這些短脈沖最簡(jiǎn)單、最具成本效益和最強(qiáng)大的方法。然而，到目前為止，傳統(tǒng)的孤立子激光還不能提供足夠的能量，新研究有可能使孤立子激光在生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用中發(fā)揮作用。這項(xiàng)研究建立在悉尼大學(xué)光子學(xué)和光學(xué)科學(xué)研究所團(tuán)隊(duì)早先建立的研究基礎(chǔ)上，該研究所于2016年發(fā)表了對(duì)純四階孤子的發(fā)現(xiàn)。

激光物理中的新定律

在普通孤子激光器中，光的能量與其脈沖寬度成反比，由方程E=1/τ證明，如果把光的脈沖時(shí)間減半，就會(huì)得到兩倍的能量。使用四次孤立子，光的能量與脈沖持續(xù)時(shí)間的三次冪成反比，即E=1/τ3。這意味著如果脈沖時(shí)間減半，它在這段時(shí)間內(nèi)傳遞的能量將乘以8倍。在研究中，最重要的是激光物理中一條新定律證明，研究經(jīng)證明了E=1/τ3，這將改變激光在未來(lái)的應(yīng)用方式。

建立這一新定律的證明，將使研究團(tuán)隊(duì)能夠制造更強(qiáng)大的孤立子激光器。在這項(xiàng)研究中，產(chǎn)生了短至萬(wàn)億分之一秒的脈沖，但研究計(jì)劃可以獲得更短的脈沖。研究的下一個(gè)目標(biāo)是產(chǎn)生持續(xù)時(shí)間為飛秒的脈沖，這將意味著峰值功率達(dá)數(shù)百千瓦的超短激光脈沖。這種類型的激光器，能為我們?cè)谛枰叻逯的芰康牟皇軗p的情況下，應(yīng)用激光開(kāi)辟了一條新的途徑！

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博科園｜研究/來(lái)自：悉尼大學(xué)

研究發(fā)表期刊《自然光子學(xué)》

DOI: 10.1038/s41566-020-0629-6

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