中國研究人員利用量子技術實現激光互動增強 20 倍無需額外功率

中國研究人員報導展示了一種顯著增強超快激光相互作用的新方法，無需增加整體激光功率。他們的研究結果有望為更安全和更精確的高強度光學系統鋪平道路。在《自然》雜誌發表的研究中，東華師範大學的吳建領導的團隊利用一種稱為明亮擠壓真空的量子光形式，發現這一突破。通過這種方式，他們將一種關鍵的非線性光學過程的增強幅度提升了 20 倍以上，相對於攜帶相同平均能量的傳統激光脈衝。

據該團隊介紹，他們的研究解決了現代激光物理學中的一個重大限制。目前，許多先進的光學效應依賴於非線性相互作用，其中多個光子幾乎同時與物質互動。這對於從阿秒物理學（10^-18秒）到高次諧波生成和超快成像等各個領域均至關重要。

中國研究人員在激光相互作用中實現顯著增強

非線性效應通常需要極高強度的激光脈衝，這可能會損壞所研究的材料或系統。該團隊沒有選擇增加激光功率，而是改變了光本身的統計行為。與標準激光光相比，明亮擠壓真空會產生極端的光子密度波動。這創造了短暫的高瞬時強度爆發，即使整體平均能量保持適中。這一區別被證明至關重要。為了測試這一概念，研究人員使用量子光源觸發鈉原子的隧道電離。在此過程中，足夠強的電磁場會強烈扭曲原子的勢能屏障，使電子可以通過量子力學效應有效隧道出去。

團隊發現，僅包含 300 納焦耳平均能量的明亮擠壓真空脈衝產生的非線性電離效應相當於有效強度超過 20 倍的傳統激光脈衝。重要的是，這一增強是在不增加平均功率的情況下實現的，從而減少了熱損傷或結構損壞的風險。

研究人員還展示了他們可以通過改變光的量子統計特性來調整相互作用強度，而不是改變脈衝能量。傳統上，更強的非線性效應需要不斷增強的激光功率。這項研究表明，精心設計的量子波動可能以更低的能量成本達到類似的效果。這些發現對於阿秒科學尤其重要，該領域專注於觀察電子動態，時間尺度達到十億分之一的十億分之一秒。阿秒實驗通常需要極端的激光強度，經常將材料和光學元件推向其損壞極限。

通過使用量子工程光狀態，而非單純的功率提升，研究人員最終可能會獲得對超快相互作用的更精確控制，同時減少對實驗系統的附帶損害。

這項研究還突顯了光學和量子工程中的一個更廣泛趨勢。物理學家越來越多地探索如何將量子波動作為功能工具，而不是將其視為需要最小化的噪聲。儘管這種方法仍然高度實驗性，但結果表明，光的量子統計特性在未來超快光學技術的發展中，可能變得與原始激光功率同樣重要。研究可在《自然》雜誌上查閲。