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CPA 技術(shù):超快激光發(fā)展之路的里程碑

來源:激光制造網(wǎng)整理2020-01-06 我要評論(0 )   

在《諾貝爾物理學(xué)家為LMN 2020世界激光制造大會特發(fā)賀詞》中我們提到了兩名諾貝爾物理學(xué)獎得主,他們分別是Gérard Mourou和Donn

《諾貝爾物理學(xué)家為LMN 2020世界激光制造大會特發(fā)賀詞》中我們提到了兩名諾貝爾物理學(xué)獎得主,他們分別是Gérard  Mourou和Donna Strickland,他們都因發(fā)明產(chǎn)生超短超強(qiáng)激光脈沖的啁啾脈沖放大技術(shù)(即CPA技術(shù))而獲獎。


左:Gérard Mourou    右:Donna Strickland

什么是啁啾脈沖放大技術(shù)?

它的發(fā)明對激光物理有怎樣的意義?


CPA技術(shù)產(chǎn)生的背景

20 世紀(jì) 60 至 70 年代,超短脈沖激光研究的主流內(nèi)容是如何產(chǎn)生 更短的脈寬。1981年,隨著碰撞脈沖鎖模(Colliding Pulse Mode-locking,CPM)技術(shù) 的發(fā)明,美國貝爾實(shí)驗(yàn)室的 R. L. Fork 等人利用染料激光器直接產(chǎn)生了 90fs 的脈沖,標(biāo)志著超短脈沖激光研究進(jìn)入了飛秒時(shí)代,也稱之為超快時(shí)代。但由于固體激光介質(zhì)的自聚焦 效應(yīng)及導(dǎo)致的元件損傷問題,以及液體及氣體激光介質(zhì)較低的飽和通量問題,致使激光自發(fā)明以來,強(qiáng)度提高的發(fā)展非常緩慢。


CPA技術(shù)產(chǎn)生,超快激光發(fā)展迎來輝煌時(shí)刻

1986 年前后,超快激光發(fā)展歷史上迎來了 具有輝煌意義的歲月。不僅 R. L. Fork 等人通過腔外壓縮技術(shù)將 CPM 輸出的飛秒脈沖激 光推進(jìn)到了 6 fs 的最短脈沖世界紀(jì)錄并保持到 1996 年,而且 F. Moulton 報(bào)道了迄今仍是 飛秒激光產(chǎn)生及放大性能最優(yōu)良的摻鈦藍(lán)寶石晶體,特別是Gérard  Mourou和Donna Strickland借鑒雷達(dá)中的微波放大技術(shù),首次實(shí)驗(yàn)演示了激光啁啾脈沖的放大與壓縮,揭開了超快激光向超強(qiáng)激光飛躍的序幕。


CPA技術(shù)是實(shí)現(xiàn)超短脈沖激光放大的核心技術(shù),是實(shí)現(xiàn)高峰值功率激光的最佳手段。其原理及原因是:超短脈沖激光分支功率較高,直接放大時(shí),能量增加后,峰值功率過高,會損傷光學(xué)鏡片及放大用的晶體等元件,需要在時(shí)域上將脈沖展寬到皮秒甚至納秒,降低峰值功率,這樣在放大過程中就降低了損傷元件的風(fēng)險(xiǎn),而且由于脈寬變寬了,與泵浦激光的重合時(shí)間更長,可以提取更多的能量。能量放大后將光斑擴(kuò)大,時(shí)域上再把脈寬寬度壓縮回到原來的超短狀態(tài),這樣就既得到了短脈沖,又安全的獲得了高的單脈沖能量,實(shí)現(xiàn)了高峰值功率的超短脈沖激光。


對激光物理有和意義?

由此可見,啁啾脈沖放大技術(shù)的發(fā)明,極大地推進(jìn)了超短超快激光的發(fā)展和應(yīng)用,如今在國內(nèi)外的超大型激光裝置中都獲得了廣泛應(yīng)用。如果沒用CPA技術(shù),飛秒激光可能只是曇花一現(xiàn),難以有今天的局面。期待未來在超快超強(qiáng)激光領(lǐng)域,還會產(chǎn)生新的諾貝爾獎。




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我國在激光物理學(xué)領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀

國內(nèi)在超快激光技術(shù)領(lǐng)域具有較強(qiáng)的基礎(chǔ),CPA發(fā)明后僅僅幾年時(shí)間,中科院西安光機(jī)所、天津大學(xué)等單位在侯洵院士領(lǐng)銜的“攀登計(jì)劃”支持下,就開展了該技術(shù)的實(shí)驗(yàn)研究。


近年來,中科院物理研究所、上海光機(jī)所及中國工程物理研究院等單位在科技部、863及基金委等部門的支持下,經(jīng)過多年系統(tǒng)深入的研究,相繼取得了突破世界紀(jì)錄的結(jié)果。如上海光機(jī)所去年取得的10PW的峰值功率,是目前基于CPA技術(shù)所見報(bào)導(dǎo)的最高峰值功率,我國科學(xué)家取得的相關(guān)成果,已在國際上形成重要影響,也極大地提高了我國在該領(lǐng)域的國際地位。


上海超強(qiáng)超短激光實(shí)驗(yàn)裝置大廳


Gérard Mourou教授也曾先后多次訪問中科院西安光機(jī)所、物理研究所、上海光機(jī)所、上海交通大學(xué)等單位并做學(xué)術(shù)報(bào)告。


中國科學(xué)院物理研究所魏志義研究員在本媒《超快激光的工業(yè)應(yīng)用迎來良好機(jī)遇》的訪談中提到:未來,希望通過我們團(tuán)隊(duì)及國內(nèi)同行的工作,讓國產(chǎn)超快激光的比例能得到提高,從而使超快激光能從高高在上的價(jià)格上降下來。要做到這一點(diǎn),離不開國內(nèi)超快激光用戶的支持與超快激光從業(yè)者的共同努力。隨著價(jià)格的平民化,而不僅僅是“有錢人”的游戲,超快激光的應(yīng)用無疑會得到進(jìn)一步的推廣和普及,從而促進(jìn)科技創(chuàng)新及社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。
隨著我國巨大的市場需求,超快激光一定是一個新的藍(lán)海市場,它將成為激光產(chǎn)業(yè)一個強(qiáng)有力的增長點(diǎn)!

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CPA技術(shù)超強(qiáng)超快激光諾貝爾物理學(xué)獎
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