超強超短激光

超強超短激光是指那些具有極高的峰值功率和極短的脈沖寬度的激光，它們的峰值功率一般在1PW以上，脈沖寬度一般在幾十飛秒以下。這樣的激光可以產生極高的光強，達到10^22 W/cm^2 甚至更高，這相當于地球表面上太陽輻射的10^13倍！

在這樣的光強下，物質會發生一些非常奇妙的現象，比如電子會被從原子核周圍剝離，形成等離子體；電子會受到強烈的輻射反沖力，導致能量損失和軌道變化；真空會出現雙光子對生成和雙光子光電效應等效應；甚至可以模擬黑洞和引力波等天體物理現象。這些現象都屬于強場量子電動力學的范疇，是目前物理學的前沿課題之一。

鈦寶石激光器

要產生超強超短激光，我們需要一種特殊的激光器，它的名字叫做鈦寶石激光器。鈦寶石激光器是一種利用鈦摻雜的寶石晶體作為增益介質的固體激光器，它有幾個優點，比如：它的增益帶寬很寬，可以支持幾十飛秒的超短脈沖；它的熱導率很高，可以承受高功率的泵浦光；它的非線性效應很小，可以避免脈沖失真和損耗。

鈦寶石激光器的工作原理是這樣的：首先，我們需要一個低功率的連續波或脈沖激光作為種子光，它的波長一般在800 nm左右，這是鈦寶石晶體的增益峰值處；然后，我們需要一個高功率的脈沖激光作為泵浦光，它的波長一般在500 nm左右，這是鈦寶石晶體的吸收峰值處；接著，我們把種子光和泵浦光同時輸入到鈦寶石晶體中，讓它們在空間和時間上重合，這樣就可以實現對種子光的放大；最后，我們把放大后的種子光通過一個色散補償裝置，把它的脈沖拉伸到最短，這樣就可以得到超強超短的激光輸出。這個過程叫做啁啾脈沖放大，是目前產生超強超短激光的主要技術。

相干拼接鈦寶石激光放大

鈦寶石激光器雖然很優秀，但是它也有一些局限性，比如：鈦寶石晶體的尺寸受到制造工藝的限制，一般不超過10 cm，這就限制了激光的能量；鈦寶石晶體的邊緣會產生橫向放大自發輻射，這會消耗泵浦能量，降低放大效率，影響輸出質量；鈦寶石晶體的內部會產生寄生振蕩，這會進一步消耗泵浦能量，導致放大飽和，限制輸出功率。

這些局限性使得鈦寶石激光器的峰值功率難以突破10 PW，這就是我們所說的10 PW的極限。那么，有沒有辦法打破這個極限呢？答案是有的，就是相干拼接鈦寶石激光放大。

相干拼接鈦寶石激光放大的思想是這樣的：首先，我們把多個小尺寸的鈦寶石晶體拼接在一起，形成一個大尺寸的鈦寶石晶體陣列，這樣就可以增加激光的能量；然后，我們在每個鈦寶石晶體的邊緣加上一個吸收層，這樣就可以抑制橫向放大自發輻射，提高放大效率，改善輸出質量；接著，我們在每個鈦寶石晶體的兩端加上一個反射層，這樣就可以阻止寄生振蕩，減少泵浦能量的損失，增加輸出功率；最后，我們用一個相干合束裝置，把每個鈦寶石晶體的輸出光在空間和時間上相干地合成一個單一的激光束，這樣就可以得到超強超短的激光輸出。這個過程就叫做相干拼接鈦寶石激光放大。

優勢和挑戰

相比于傳統的鈦寶石激光器，相干拼接鈦寶石激光放大有以下幾個優勢：它可以突破單個鈦寶石晶體的尺寸限制，實現任意大的能量輸出；它可以有效地抑制橫向放大自發輻射和寄生振蕩，提高放大效率和輸出質量；它可以利用相干合束技術，實現高功率和高光強的輸出。

這些優勢使得相干拼接鈦寶石激光放大成為一種有潛力的技術，可以打破當前超強激光的10 PW的極限，甚至達到40 PW或更高的峰值功率，從而為強場量子電動力學和宇宙學等領域的研究提供了新的工具。

當然，相干拼接鈦寶石激光放大也面臨著一些挑戰，比如：如何保證每個鈦寶石晶體的輸出光的相位和偏振的一致性，以實現高質量的相干合束；如何設計一個高精度的相干合束裝置，以實現高效率的光能利用；如何控制每個鈦寶石晶體的溫度和應力，以避免熱效應和光學損傷。這些挑戰需要我們進行更多的理論和實驗的研究，以找到最優的技術方案和參數。