自從啁啾脈沖放大(chirped-pulse amplification, CPA)的發(fā)明有效地避免了放大器的光學(xué)非線性和損壞以來，激光脈沖的峰值功率就從千兆瓦（GW，106W）急劇增加到PW。在當前的PW激光器中，主要的激光放大材料包括Nd：玻璃，Ti：藍寶石和非線性光學(xué)晶體。Nd：玻璃具有很大的物理尺寸（> 1 m），但是增益帶寬很窄（〜20 nm FWHM），產(chǎn)生了亞皮秒級的千焦耳激光脈沖，當前最大峰值功率為2 PW。Ti：藍寶石晶體的物理尺寸有限（<200 mm），但是增益帶寬較寬（> 200 nm），產(chǎn)生了20–50 fs（受增益變窄和增益飽和的限制），<400 J激光脈沖與當前最大峰值功率為10 PW。在光參量啁啾脈沖放大(optical parametric chirped-pulse amplification, OPCPA)中，例如，常用的I型三硼酸鋰（LBO）晶體（泵浦527 nm）也具有> 200 nm的增益帶寬，但物理尺寸有限（<150 mm） 。但是，由于光參量放大沒有隨時間變化的增益飽和和增益變窄的特性，因此可以支持<20 fs的高能量超短激光脈沖，當前最大峰值功率為5 PW，并且最近在上海啟動了100 PW OPCPA激光設(shè)備（→上海光學(xué)精密機械研究所強場激光物理國家重點實驗室科研人員在100拍瓦激光裝置中的高性能種子源研究方面取得進展，利用級聯(lián)光參量放大（OPA）技術(shù)產(chǎn)生高性能910nm種子源，并應(yīng)用到硬X射線自由電子激光裝置極端光物理線站100PW激光裝置。）。

▲種子源的光譜圖、脈寬圖

作為億瓦級激光器的下一步，可以考慮的兩種方法。一種是增加脈沖能量，另一種是減少脈沖持續(xù)時間。、前一種方法強烈依賴于開發(fā)大型激光放大材料（尤其是Ti：藍寶石和非線性光學(xué)晶體）或增加光束線數(shù)量（設(shè)備規(guī)模）。這種方法必須面對技術(shù)、工程和經(jīng)濟問題，例如大型Ti：藍寶石放大器中的寄生激光發(fā)射。當前，光周期級超快激光技術(shù)的飛速發(fā)展使得后一種方法越來越有吸引力，并且有可能突破這一瓶頸。

目前，全世界千兆瓦激光器的設(shè)施規(guī)模很大，項目投資也很高。超強激光的未來在于通過壓縮脈沖持續(xù)時間而不是增加脈沖能量來進一步增加峰值功率。

在他們之前的研究中，該小組開發(fā)了一種新的設(shè)計——廣角非共線光學(xué)參量啁啾脈沖放大(WNOPCPA)，以增加放大的光譜并相應(yīng)地減少壓縮脈沖。

▲圖2.（a）先前和（b）新設(shè)計的WNOPCPA的示意圖。α是晶體中泵浦的發(fā)散角，Δα是兩個相鄰的離散子束之間的角度間隙，n是折射率。（c）I BBO型和I LBO型的角度。

WNOPCPA的關(guān)鍵機制是通過使用對應(yīng)于不同放大光譜的多光束泵浦來增加總帶寬。

在新改進的設(shè)計中，通過使用雙光束泵浦WNOPCPA和精心優(yōu)化的相位匹配，完全避免了泵浦干擾，并實現(xiàn)了具有兩個寬光譜的超寬帶帶寬，導(dǎo)致< 10 fs的高能激光放大。

當這種激光器與后壓縮技術(shù)相結(jié)合時，由非線性效應(yīng)引起的光譜展寬顯著增強，并且模擬顯示最高峰值功率的記錄可以被推到艾瓦級。

研究人員稱這種設(shè)計有兩個優(yōu)點：一個是WNOPCPA中的超寬帶放大，另一個是后壓縮中非線性光譜展寬的增強。這項研究可能會為進一步提高激光峰值功率提供一種可能的方法，甚至可以達到億瓦級。

毫億瓦級激光器的概念圖。圖片來源：大阪大學(xué)