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「百超迪能激光」什么是啁啾脉冲放大技术？

_本文原题为：什么是啁啾脉冲放大技术？
注：本文作者是中科院物理研究所方少波博士 ， 转载请注明来源 。
10月2日下午 ， 有着近300年历史的皇家瑞典科学院揭晓了2018年诺贝尔物理学奖 。 获奖的三位科学家在激光物理领域取得了开创性发明 。 奖项的一半授予美国贝尔实验室的ArthurAshkin ， 表彰他所发明的光镊技术 ， 并将此技术应用于生物体系 。 另一半被法国籍科学家GérardMourou（法国巴黎综合理工学院教授、美国密歇根大学名誉教授）和他的学生DonnaStrickland（加拿大滑铁卢大学副教授）所分享 。 他们提出的啁啾脉冲放大技术（ChirpedPulseAmplification,CPA）正是现在产生超强超短脉冲激光的独创性方法 。
这里 ， 我们来聊一聊产生超强超短激光脉冲的啁啾（zhōujiū）脉冲放大技术 。 自1960年美国加州休斯实验室的科学家梅曼宣布获得了第一束激光以来 ， 激光技术早已融入日常生活 。 无论是老师上课时手持的激光笔 ， 还是耗资数十亿欧元、长度超过3公里的欧洲自由电子激光装置 ， 各种激光器遍及工业、通讯、科学及娱乐领域 。 激光物理中定义的超短脉冲是指时间尺度小于皮秒（ps）量级的电磁脉冲 。 照相机所使用的闪光灯 ， 闪一次的时间大约是百分之一秒（0.01s） 。 如今超短激光脉冲的闪亮时间早已达到飞秒（fs） ， 甚至阿秒（as）量级 。
众所周知 ， 功率的单位是瓦特W ， 1W=1J/1s 。 当激光脉冲的能量越大 ， 激光脉冲的时间尺度越短 ， 对应的峰值功率就越大（即增大分子 ， 缩小分母） 。 为了获得极高的峰值功率 ， 科学家不仅需要缩短激光脉冲的时间尺度 ， 同时还需不断放大激光脉冲的能量 。 超强超短激光技术的革新时刻推动着高能物理、聚变能源、精密测量、化学、材料、信息、生物医学等一批基础与前沿交叉学科的开拓和发展 。
在啁啾脉冲放大技术出现之前 ， 科学家通过调Q（Q-switching）和锁模（Mode-locking）等超快激光技术已经可以将激光脉冲从毫秒（ms）量级提高到纳秒（ns）、皮秒（ps）量级 。 在啁啾脉冲放大技术之后出现的克尔透镜锁模（Kerr-LensMode-Locking ， KLM）技术 ， 甚至将激光脉冲的时间尺度直接压缩到了飞秒量级 ， 所对应的峰值功率也得到了一定的提高 。
但是 ， 直接放大激光脉冲的能量 ， 进一步提高峰值功率遇到了难以逾越的瓶颈 。 因为直接放大过程中 ， 激光脉冲的超高峰值功率密度（功率密度=功率/聚焦光斑的面积）极易损坏放大器中增益介质和其他透射式光学元器件（其效果类似于用放大镜把太阳光聚焦到报纸上的一个小点 ， 很容易就能将其点燃烧毁） 。 其次 ， 直接放大的激光脉冲时间尺度太短 ， 不利于高效吸收放大增益介质中的全部能量 。
「百超迪能激光」什么是啁啾脉冲放大技术？
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图1激光聚焦功率密度的发展历程
如图1 ， 在CPA技术出现之前 ， 激光功率密度经历了近20年的平台区 。 为了避免激光脉冲放大过程中过高的峰值功率密度超过放大增益介质所能承受的破坏阈值 ， 之前最简单粗暴的方法就是扩大增益介质口径和聚焦光斑的面积 。 遗憾的是 ， 这一方案很容易受到增益介质和光学元器件实际尺寸的限制 。 简单计算一下就知道 ， 假设现有的超大激光晶体直径为1米 ， 为了增加1万倍的激光聚焦功率密度 ， 我们就需要把原有的激光晶体直径从1米增加到100米（面积增加1万倍） ， 并且相关的光学元器件的尺寸都需要有百倍提升 。
如果需要增加1亿倍的激光聚焦功率密度 ， 就需要直径接近1万米的光学元器件 。 啁啾脉冲放大技术让激光聚焦功率密度直接提升了接近10个数量级 ， 相当于1千公里长的超大晶体（从北京到上海也就这么长） 。 不知道漫画英雄蚁人是否有过类似的感受 。 同时 ， 如此巨大的面积带来能量密度的减少 ， 更不利于吸收增益介质储存能量 。


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