2.如何獲得超短超強(qiáng)激光？

首先亮出觀點(diǎn)：

啁啾脈沖放大的核心是時(shí)間換空間。

激光重新定義了光，啁啾脈沖放大重新定義了激光。

激光的功率就是激光單位時(shí)間的能量，即P=E/t。從公式可以看出，有兩個(gè)方法可以提高激光的功率。一個(gè)是提高能量，一個(gè)是減少脈沖持續(xù)時(shí)間。

首先看脈沖持續(xù)時(shí)間無(wú)限長(zhǎng)的情況，這就是連續(xù)激光，目前連續(xù)激光的最高功率在萬(wàn)瓦量級(jí)。前不久看新聞，國(guó)防科大通過(guò)光纖組束，獲得了10萬(wàn)瓦的功率。繼續(xù)提高連續(xù)光的功率面臨著諸多挑戰(zhàn)。

對(duì)于脈沖激光，峰值功率破萬(wàn)瓦是件輕松寫意的事情。一個(gè)調(diào)Q激光，脈沖寬度在納秒量級(jí)，脈沖能量在亞毫焦量級(jí)，峰值功率可以達(dá)到萬(wàn)瓦，而成本可以低于2萬(wàn)毛爺爺。簡(jiǎn)要介紹下調(diào)Q原理，下圖是數(shù)值求解速率方程得到的調(diào)Q脈沖的演化過(guò)程。從激光原理的角度解釋這件事情有點(diǎn)麻煩。我就比喻一下。好比一個(gè)人喝水，如果一個(gè)人大小便失禁，每喝一口水就立即尿出來(lái)，那么他的尿的流速可以認(rèn)為等于喝水的速度。如果這個(gè)人看了廣告吃了腎寶片，腎功能異常強(qiáng)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(xù)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(diào)Q激光類似憋尿，吸收大量能量后瞬間釋放出來(lái)，功率也就顯著高于連續(xù)激光。然而調(diào)Q激光的最高峰值功率在兆瓦量級(jí)，顯然不能滿足人們貪婪的胃口。

接下來(lái)鎖模激光出場(chǎng)了。簡(jiǎn)單的說(shuō)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(guò)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(dāng)大家齊刷刷的做一件事情的時(shí)候，會(huì)爆發(fā)出不可思議的能量或者出現(xiàn)不可思議的現(xiàn)象。下圖是鎖模的原理示意圖。當(dāng)激光的各個(gè)頻率成分雜亂無(wú)章的時(shí)候，激光的強(qiáng)度弱。當(dāng)激光的各個(gè)頻率成分相位鎖定的時(shí)候，會(huì)形成一個(gè)窄脈沖，峰值功率急劇提升。目前的鎖模脈沖脈寬可短至5飛秒。峰值功率在吉瓦量級(jí)。

人們想繼續(xù)提高脈沖的峰值功率，然而此時(shí)卻遇到了困難。對(duì)于一般的激光晶體，為了避免放大過(guò)程中的非線性效應(yīng)，脈沖在晶體上的光強(qiáng)要小于10 GW/cm^2左右。光強(qiáng)為功率除以光斑面積，即I=P/A。如果要直接放大飛秒脈沖獲得太瓦功率，則光斑面積為 A=P/I=10^12W/(10x10^9W/cm^2)=100 cm^2. 即要求一個(gè)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(xù)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(lái)提升幅度有限，二來(lái)價(jià)格昂貴。全世界陷入了沉默，宛如男人擼過(guò)后的不應(yīng)期，長(zhǎng)達(dá)20年。

我不知道在那20年激光中世紀(jì)的博士是怎么畢業(yè)的，那個(gè)時(shí)候還沒有碼農(nóng)可以轉(zhuǎn)吧。然而正所謂物極必反，觸底反彈。1985年，幸運(yùn)的Strickland博士在其導(dǎo)師Mourou的指導(dǎo)下，將鎖模脈沖捅進(jìn)一段光纖中，脈沖的脈寬被展寬了，然后進(jìn)行放大，最后用一個(gè)光柵對(duì)將脈寬壓縮回去。他們給這個(gè)方法起了個(gè)名字，叫chirped pulse amplification (CPA)，啁啾脈沖放大。這個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)表在了影響因子只有1.5的optics communication上面。影響因子1.5是無(wú)法衡量這個(gè)實(shí)驗(yàn)的意義的。所以每當(dāng)我投optics communication的時(shí)候，都會(huì)認(rèn)為自己工作的意義是無(wú)法估量的。

再介紹下啁啾脈沖放大的原理，啁啾的英文chirp是個(gè)擬聲詞，模擬的鳥叫的聲音。鳥叫的聲音有個(gè)特點(diǎn)，就是聲調(diào)越來(lái)越高，越來(lái)越尖銳?？梢杂娩浺魴C(jī)把鳥的聲音錄下來(lái)，用示波器顯示，如下圖所示。

傅里葉極限的飛秒脈沖，經(jīng)過(guò)色散元件后，相位會(huì)發(fā)生變化。體材料，光柵對(duì)，啁啾鏡等都可以提供不同程度的色散。如果把這些色散進(jìn)行泰勒展寬，會(huì)發(fā)現(xiàn)泰勒展開項(xiàng)的第二項(xiàng)起主要作用(常數(shù)項(xiàng)和一階項(xiàng)不改變脈寬)。下圖為一個(gè)傅里葉極限3fs的脈沖引入15 fs^2二階色散后的情況?？梢钥闯?，而且脈沖的寬度展寬到14 fs，而且脈沖的頻率隨著時(shí)間增加。 頻率隨著時(shí)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，啁啾脈沖是怎么回事就算是說(shuō)的差不多了。再來(lái)提提峰值功率的事情。晶體材料的激光光強(qiáng)要小于10 GW/cm^2，降低激光脈沖在材料上的光強(qiáng)，一是擴(kuò)大光斑直徑，一是擴(kuò)大脈沖寬度，而且光強(qiáng)隨光斑直徑和脈沖寬度的變化都是線性的。晶體口徑的變化范圍為1~15cm，很小。然而，采用啁啾脈沖的方法，可以把30飛秒的脈沖展寬到1納秒，展寬倍數(shù)為數(shù)十萬(wàn)倍。因此展寬脈寬后，峰值功率大大降低，放大順利進(jìn)行。放大后，還可以通過(guò)色散元件壓縮回30飛秒，峰值功率大大提升。因此，我把啁啾脈沖放大稱之為時(shí)間換空間。自從人們點(diǎn)開了啁啾脈沖放大技術(shù)后，激光的峰值功率又開始了指數(shù)增長(zhǎng)。目前已經(jīng)達(dá)到了2PW，全世界數(shù)個(gè)國(guó)家的10 PW 項(xiàng)目也都在如火如荼的開展。