超短超強激光技術(二) 啁啾脈衝放大

前一期簡要的介紹了超短超強激光的概念，然後引出獲得超短超強激光的主要技術是啁啾脈衝放大技術。這一期繼續討論啁啾脈衝放大。

首先亮出觀點：

啁啾脈衝放大的核心是時間換空間。

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激光重新定義了光，啁啾脈衝放大重新定義了激光。

下面是慢慢的介紹。

激光的功率就是激光單位時間的能量，即P=E/t。從公式可以看出，有兩個方法可以提高激光的功率。一個是提高能量，一個是減少脈衝持續時間。

首先看脈衝持續時間無限長的情況，這就是連續激光，目前連續激光的最高功率在萬瓦量級。前不久看新聞，國防科大通過光纖組束，獲得了10萬瓦的功率。繼續提高連續光的功率面臨著諸多挑戰。

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對於脈衝激光，峰值功率破萬瓦是件輕鬆寫意的事情。一個調Q激光，脈衝寬度在納秒量級，脈衝能量在亞毫焦量級，峰值功率可以達到萬瓦，而成本可以低於2萬毛爺爺。簡要介紹下調Q原理，下圖是數值求解速率方程得到的調Q脈衝的演化過程。從激光原理的角度解釋這件事情有點麻煩。我就比喻一下。好比一個人喝水，如果一個人大小便失禁，每喝一口水就立即尿出來，那麼他的尿的流速可以認為等於喝水的速度。如果這個人看了廣告吃了腎寶片，腎功能異常強大，上午喝了一桶水，憋到了下午，那他解開褲子的一剎那將一瀉千里。連續激光類似大小便失禁，釋放能量的速率即功率約為吸收能量的速率，調Q激光類似憋尿，吸收大量能量後瞬間釋放出來，功率也就顯著高於連續激光。然而調Q激光的最高峰值功率在兆瓦量級，顯然不能滿足人們貪婪的胃口。

接下來鎖模激光出場了。簡單的說鎖模的原理類似物理上的共振或者生活上的共鳴。比如士兵齊步過橋把橋走塌，馬蓉出軌微博被罵等等。不管是生活中還是物理上，當大家齊刷刷的做一件事情的時候，會爆發出不可思議的能量或者出現不可思議的現象。下圖是鎖模的原理示意圖。當激光的各個頻率成分雜亂無章的時候，激光的強度弱。當激光的各個頻率成分相位鎖定的時候，會形成一個窄脈衝，峰值功率急劇提升。目前的鎖模脈衝脈寬可短至5飛秒。峰值功率在吉瓦量級。

人們想繼續提高脈衝的峰值功率，然而此時卻遇到了困難。對於一般的激光晶體，為了避免放大過程中的非線性效應，脈衝在晶體上的光強要小於10 GW/cm^2左右。光強為功率除以光斑面積，即I=P/A。如果要直接放大飛秒脈衝獲得太瓦功率，則光斑面積為 A=P/I=10^12W/(10x10^9W/cm^2)=100 cm^2. 即要求一個口徑10 cm的晶體。常用的激光晶體如鈦寶石的最大口徑約為15cm，一塊晶體就可以在帝都或者魔都貸款買房了。如果要繼續提高功率的話，還得線性的增加晶體的尺寸。很顯然，增加晶體口徑的方法，一來提升幅度有限，二來價格昂貴。全世界陷入了沉默，宛如男人擼過後的不應期，長達20年。

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我不知道在那20年激光中世紀的博士是怎麼畢業的，那個時候還沒有碼農可以轉吧。然而正所謂物極必反，觸底反彈。1985年，幸運的Strickland博士在其導師Mourou的指導下，將鎖模脈衝捅進一段光纖中，脈衝的脈寬被展寬了，然後進行放大，最後用一個光柵對將脈寬壓縮回去。他們給這個方法起了個名字，叫chirped pulse amplification (CPA)，啁啾脈衝放大。這個實驗結果發表在了影響因子只有1.5的optics communication上面。影響因子1.5是無法衡量這個實驗的意義的。所以每當我投optics communication的時候，都會認為自己工作的意義是無法估量的。

再介紹下啁啾脈衝放大的原理，啁啾的英文chirp是個擬聲詞，模擬的鳥叫的聲音。鳥叫的聲音有個特點，就是聲調越來越高，越來越尖銳。可以用錄音機把鳥的聲音錄下來，用示波器顯示，如下圖所示。

傅里葉極限的飛秒脈衝，經過色散元件後，相位會發生變化。體材料，光柵對，啁啾鏡等都可以提供不同程度的色散。如果把這些色散進行泰勒展寬，會發現泰勒展開項的第二項起主要作用(常數項和一階項不改變脈寬)。下圖為一個傅里葉極限3fs的脈衝引入15 fs^2二階色散後的情況。可以看出，而且脈衝的寬度展寬到14 fs，而且脈衝的頻率隨著時間增加。n頻率隨著時間增加的特性和鳥的叫聲有相似之處，因此把引入二階正色散稱之為引入線性正啁啾。

至此，啁啾脈衝是怎麼回事就算是說的差不多了。再來提提峰值功率的事情。晶體材料的激光光強要小於10 GW/cm^2，降低激光脈衝在材料上的光強，一是擴大光斑直徑，一是擴大脈衝寬度，而且光強隨光斑直徑和脈衝寬度的變化都是線性的。晶體口徑的變化範圍為1~15cm，很小。然而，採用啁啾脈衝的方法，可以把30飛秒的脈衝展寬到1納秒，展寬倍數為數十萬倍。因此展寬脈寬後，峰值功率大大降低，放大順利進行。放大後，還可以通過色散元件壓縮回30飛秒，峰值功率大大提升。因此，我把啁啾脈衝放大稱之為時間換空間。自從人們點開了啁啾脈衝放大技術後，激光的峰值功率又開始了指數增長。目前已經達到了2PW，全世界數個國家的10 PW 項目也都在如火如荼的開展。