10月2日下午，有著近300年歷史的皇家瑞典科學(xué)院揭曉了2018年諾貝爾物理學(xué)獎。獲獎的三位科學(xué)家在激光物理領(lǐng)域取得了開創(chuàng)性發(fā)明。獎項(xiàng)的一半授予美國貝爾實(shí)驗(yàn)室的Arthur Ashkin，表彰他所發(fā)明的光鑷技術(shù)，并將此技術(shù)應(yīng)用于生物體系。另一半被法國籍科學(xué)家Gérard Mourou（法國巴黎綜合理工學(xué)院教授、美國密歇根大學(xué)名譽(yù)教授）和他的學(xué)生Donna Strickland（加拿大滑鐵盧大學(xué)副教授）所分享。他們提出的啁啾脈沖放大技術(shù)（Chirped Pulse Amplification, CPA）正是現(xiàn)在產(chǎn)生超強(qiáng)超短脈沖激光的獨(dú)創(chuàng)性方法。
這里，我們來聊一聊產(chǎn)生超強(qiáng)超短激光脈沖的啁啾（zhōu jiū）脈沖放大技術(shù)。自1960年美國加州休斯實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家梅曼宣布獲得了第一束激光以來，激光技術(shù)早已融入日常生活。無論是老師上課時(shí)手持的激光筆，還是耗資數(shù)十億歐元、長度超過3公里的歐洲自由電子激光裝置，各種激光器遍及工業(yè)、通訊、科學(xué)及娛樂領(lǐng)域。激光物理中定義的超短脈沖是指時(shí)間尺度小于皮秒（ps）量級的電磁脈沖。照相機(jī)所使用的閃光燈，閃一次的時(shí)間大約是百分之一秒（0.01 s）。如今超短激光脈沖的閃亮?xí)r間早已達(dá)到飛秒（fs），甚至阿秒（as）量級。
眾所周知，功率的單位是瓦特W，1 W = 1 J / 1 s。當(dāng)激光脈沖的能量越大，激光脈沖的時(shí)間尺度越短，對應(yīng)的峰值功率就越大（即增大分子，縮小分母）。為了獲得極高的峰值功率，科學(xué)家不僅需要縮短激光脈沖的時(shí)間尺度，同時(shí)還需不斷放大激光脈沖的能量。超強(qiáng)超短激光技術(shù)的革新時(shí)刻推動著高能物理、聚變能源、精密測量、化學(xué)、材料、信息、生物醫(yī)學(xué)等一批基礎(chǔ)與前沿交叉學(xué)科的開拓和發(fā)展。
在啁啾脈沖放大技術(shù)出現(xiàn)之前，科學(xué)家通過調(diào)Q（Q-switching）和鎖模（Mode-locking）等超快激光技術(shù)已經(jīng)可以將激光脈沖從毫秒（ms）量級提高到納秒（ns）、皮秒（ps）量級。在啁啾脈沖放大技術(shù)之后出現(xiàn)的克爾透鏡鎖模（Kerr-Lens Mode-Locking，KLM）技術(shù)，甚至將激光脈沖的時(shí)間尺度直接壓縮到了飛秒量級，所對應(yīng)的峰值功率也得到了一定的提高。
但是，直接放大激光脈沖的能量，進(jìn)一步提高峰值功率遇到了難以逾越的瓶頸。因?yàn)橹苯臃糯筮^程中，激光脈沖的超高峰值功率密度（功率密度=功率/聚焦光斑的面積）極易損壞放大器中增益介質(zhì)和其他透射式光學(xué)元器件（其效果類似于用放大鏡把太陽光聚焦到報(bào)紙上的一個小點(diǎn)，很容易就能將其點(diǎn)燃燒毀）。其次，直接放大的激光脈沖時(shí)間尺度太短，不利于高效吸收放大增益介質(zhì)中的全部能量。
圖1 激光聚焦功率密度的發(fā)展歷程
如圖1，在CPA技術(shù)出現(xiàn)之前，激光功率密度經(jīng)歷了近20年的平臺區(qū)。為了避免激光脈沖放大過程中過高的峰值功率密度超過放大增益介質(zhì)所能承受的破壞閾值，之前最簡單粗暴的方法就是擴(kuò)大增益介質(zhì)口徑和聚焦光斑的面積。遺憾的是，這一方案很容易受到增益介質(zhì)和光學(xué)元器件實(shí)際尺寸的限制。簡單計(jì)算一下就知道，假設(shè)現(xiàn)有的超大激光晶體直徑為1米，為了增加1萬倍的激光聚焦功率密度，我們就需要把原有的激光晶體直徑從1米增加到100米（面積增加1萬倍），并且相關(guān)的光學(xué)元器件的尺寸都需要有百倍提升。
如果需要增加1億倍的激光聚焦功率密度，就需要直徑接近1萬米的光學(xué)元器件。啁啾脈沖放大技術(shù)讓激光聚焦功率密度直接提升了接近10個數(shù)量級，相當(dāng)于1千公里長的超大晶體（從北京到上海也就這么長）。不知道漫畫英雄蟻人是否有過類似的感受。同時(shí)，如此巨大的面積帶來能量密度的減少，更不利于吸收增益介質(zhì)儲存能量。
1985年，隨著啁啾脈沖放大技術(shù)的出現(xiàn)，激光聚焦功率密度實(shí)現(xiàn)飛躍式的提升。 從CPA的基本原理圖（圖2）可見，整個系統(tǒng)大致分為振蕩器、展寬器、放大器和壓縮器。其關(guān)鍵是：
在直接輸入放大器之前，先利用展寬器對振蕩器輸出的超短飛秒（皮秒）脈沖引入一定的色散，將脈沖寬度在時(shí)域上展寬約百萬倍，至百皮秒甚至納秒量級；這樣不僅極大降低了峰值功率，而且保證了單位面積上的能量密度；
然后在放大器中進(jìn)行放大，這樣既降低了相關(guān)元件損傷的風(fēng)險(xiǎn)，還避免了增益飽和等許多不利的非線性效應(yīng)，有利于高效吸收增益介質(zhì)儲存能量；
等獲得較高的能量以后，再通過壓縮器補(bǔ)償色散，將脈沖寬度壓縮回飛秒（皮秒）量級。
圖2啁啾脈沖放大技術(shù)原理示意圖
自CPA技術(shù)之后近30年的時(shí)間里，不僅激光的峰值功率及強(qiáng)度提高了近10個量級，而且激光裝置的體積及成本也大大降低，得以廣泛應(yīng)用于高校和研究所。由于CPA技術(shù)在激光強(qiáng)度發(fā)展的歷史中所起的作用，美國將基于CPA技術(shù)搭建的激光系統(tǒng)用于快點(diǎn)火激光聚變工程，以期徹底解決能源問題。國際上許多頂級實(shí)驗(yàn)室也相繼建成了多臺峰值功率超過拍瓦級別 (PW)的CPA裝置：如勞倫斯利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室（Lawrence Livermore National Laboratory，LLNL）的1.5 PW、450 fs釹玻璃激光系統(tǒng)，中科院物理研究所的1.16 PW、30 fs激光裝置，韓國先進(jìn)光子學(xué)研究所的1.5 PW鈦寶石CPA激光系統(tǒng)，中物院激光聚變中心的5 PW級激光裝置和中科院上海光機(jī)所最新獲得的10 PW裝置等。作為歐盟未來大科學(xué)裝置的極光設(shè)施（Extreme Light Infrastructure，簡稱ELI），目標(biāo)定為發(fā)展峰值功率高達(dá)200 PW的超強(qiáng)超短激光裝置。
2013年，G. Mourou等人基于現(xiàn)有的光纖放大技術(shù)及相干合成技術(shù)，針對下一代粒子加速器的應(yīng)用發(fā)展需求提出了一套重復(fù)頻率 10 kHz、單脈沖能量10 J的設(shè)計(jì)方案。國內(nèi)中國科學(xué)院物理研究所、天津大學(xué)、北京大學(xué)、清華大學(xué)、西安光機(jī)所、華東師范大學(xué)等科研單位也在該領(lǐng)域展開了大量工作，爭取早日拉近與國外同行的差距。
備注1：CPA技術(shù)的結(jié)果最先發(fā)表在《光學(xué)通信》（五年影響影子1.57，不算高）。
備注2：這篇獲獎文章的最后感謝了Mourou教授的另一位學(xué)生Steve Williams，因?yàn)镸ourou教授研發(fā)CPA技術(shù)的靈感很大程度上源于這位學(xué)生與他頗具啟發(fā)性的討論。
備注3：Strickland當(dāng)年作為一個新入學(xué)的博士生，在導(dǎo)師Mourou、同事Bado和Bouvie的幫助下很快完成了原理性實(shí)驗(yàn)，之后她還擔(dān)心這個課題過于簡單，不夠博士畢業(yè)的要求。
備注4： Mourou和Strickland的獎金大約170萬人民幣，能在北京湊個首付？
備注5：啁啾（chirp）：光脈沖瞬時(shí)頻率隨時(shí)間的變化而變化，類似鳥叫的聲音頻率也隨時(shí)間的變化而變化。
備注6：毫秒、納秒、皮秒、飛秒、阿秒的換算
參考文獻(xiàn)：《超快光學(xué)研究前沿》魏志義 等編著 出版社:上海交通大學(xué)出版社
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