萬億分之一秒內就能達到峰值能量，發明新型「孤立子」雷射器

2020-08-10 博科園

科學家開發出一種新型雷射器，可以在很短的時間內產生大量能量，在眼科和心臟手術或精細材料工程中具有潛在的應用價值。雪梨大學光子學和光學科學研究所所長馬提金·德·斯特克教授說：這種雷射器的特性是，當脈衝持續時間減少到萬億分之一秒以下時，能量也可以「瞬間」達到峰值，這使得它成為處理需要短而強大脈衝材料的理想候選者。

一種應用可能是角膜手術，這依賴於輕輕地將物質從眼睛中移除，這需要不會加熱和損害表面強而短的光脈衝，其研究成果發表在《自然光子學》期刊上。科學家通過回歸一種在電信、計量學和光譜學中常見的簡單雷射技術，取得了這一顯著結果。這些雷射器使用一種稱為「孤立子」波的效應，這是一種在很長距離內保持形狀的光波。孤立子在19世紀初首次被發現，然而它不是在光中發現的，而是在英國工業運河的水波中發現。

來自物理學院的主要作者Antoine Runge博士說：光中的孤立子波，保持其形狀的事實，意味著它們在包括電信和光譜分析在內的廣泛應用中都極好。然而，儘管產生這些孤立子的雷射器很容易製造，但它們不會帶來太大的衝擊力。要產生製造中使用的高能光脈衝，需要完全不同的物理系統。該研究的合著者、美國諾基亞貝爾實驗室的矽光子學負責人Andrea Blanco-Redondo博士說：

孤立子雷射是實現這些短脈衝最簡單、最具成本效益和最強大的方法。然而，到目前為止，傳統的孤立子雷射還不能提供足夠的能量，新研究有可能使孤立子雷射在生物醫學應用中發揮作用。這項研究建立在雪梨大學光子學和光學科學研究所團隊早先建立的研究基礎上，該研究所於2016年發表了對純四階孤子的發現。

雷射物理中的新定律

在普通孤子雷射器中，光的能量與其脈衝寬度成反比，由方程E=1/τ證明，如果把光的脈衝時間減半，就會得到兩倍的能量。使用四次孤立子，光的能量與脈衝持續時間的三次冪成反比，即E=1/τ3。這意味著如果脈衝時間減半，它在這段時間內傳遞的能量將乘以8倍。在研究中，最重要的是雷射物理中一條新定律證明，研究經證明了E=1/τ3，這將改變雷射在未來的應用方式。

建立這一新定律的證明，將使研究團隊能夠製造更強大的孤立子雷射器。在這項研究中，產生了短至萬億分之一秒的脈衝，但研究計劃可以獲得更短的脈衝。研究的下一個目標是產生持續時間為飛秒的脈衝，這將意味著峰值功率達數百千瓦的超短雷射脈衝。這種類型的雷射器，能為我們在需要高峰值能量但基材不受損的情況下，應用雷射開闢了一條新的途徑！

博科園｜研究/來自：雪梨大學

研究發表期刊《自然光子學》

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