具有超短脈沖和超高能量的超高強(qiáng)度激光器，是探索物理學(xué)、宇宙學(xué)、材料科學(xué)等領(lǐng)域未知事物的強(qiáng)大工具。在啁啾脈沖放大（CPA）技術(shù)的幫助下，目前超高強(qiáng)度激光器的紀(jì)錄已經(jīng)達(dá)到了10皮瓦（或1016瓦）。近期，大阪大學(xué)的研究人員在《科學(xué)報(bào)告》發(fā)表了一項(xiàng)研究報(bào)告，提出了下一代超強(qiáng)激光器的概念，其模擬峰值功率可達(dá)到千兆兆瓦級(jí)（1千兆兆瓦級(jí)等于1000皮瓦）。

1960年，Maiman博士發(fā)明的激光器具有高強(qiáng)度（或脈沖激光的高峰值功率）的重要特征：從歷史上看，激光峰值功率經(jīng)歷了兩個(gè)發(fā)展階段。激光器誕生后，調(diào)Q和鎖模技術(shù)將激光器的峰值功率提高到千瓦（103瓦）和吉瓦（109瓦）量級(jí)。1985年，GérardMourou和DonnaStrickland發(fā)明CPA技術(shù)之后，避免了材料損壞和光學(xué)非線性，激光峰值功率顯著提高到了太瓦（1012瓦）和皮瓦（1015瓦）量級(jí)。

目前，兩個(gè)10皮瓦CPA激光器分別在歐洲（ELI-NP激光器）和中國(guó)（SULF激光器）進(jìn)行過(guò)演示。世界各國(guó)的皮瓦激光器設(shè)備規(guī)模很大，而且項(xiàng)目的投入資金很高。未來(lái)，提高超強(qiáng)激光器峰值功率的發(fā)展方向，是通過(guò)壓縮脈沖持續(xù)時(shí)間替代增加脈沖能量。

在大阪大學(xué)先前的研究中（OSAContinuum，DOI：10.1364/OSAC.2.001125），研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種全新的設(shè)計(jì)?廣角非共線光學(xué)參量啁啾脈沖放大（WNOPCPA）技術(shù)，以增加放大的光譜，從而減少壓縮的脈沖。WNOPCPA技術(shù)的關(guān)鍵機(jī)制是利用多束泵浦增加帶寬，多束泵浦也對(duì)應(yīng)了不同的放大光譜?！叭欢?，將WNOPCPA技術(shù)應(yīng)用于大型工程，除了可能造成的破壞外，泵浦干擾也是一個(gè)潛在問(wèn)題。”本文作者表示。

在改進(jìn)設(shè)計(jì)中，研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)使用兩光束泵浦WNOPCPA和精心優(yōu)化的相位匹配，完全避免了泵浦的干擾問(wèn)題，在雙寬光譜的超寬帶帶寬條件下，實(shí)現(xiàn)了小于10fs的高能激光放大。當(dāng)激光器與后壓縮技術(shù)相結(jié)合時(shí)，非線性效應(yīng)引起的光譜展寬得到了顯著增強(qiáng)，仿真結(jié)果表明激光器的最高峰值功率可以達(dá)到千兆兆瓦級(jí)。

千兆兆瓦級(jí)激光器概念圖（圖片版權(quán)：大阪大學(xué)）

“這種設(shè)計(jì)有兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)：一是WNOPCPA技術(shù)的超寬帶帶寬放大，二是壓縮后非線性光譜展寬的增強(qiáng)。這項(xiàng)研究可能為進(jìn)一步提高激光器的峰值功率提供了一種可行性方案，甚至可以達(dá)到千兆兆瓦級(jí)?！弊髡咦詈笳劦健?/p>

延伸閱讀

2018年10月，瑞典皇家科學(xué)院揭曉了當(dāng)年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。獲獎(jiǎng)的三位科學(xué)家在激光物理領(lǐng)域取得了開(kāi)創(chuàng)性發(fā)明。獎(jiǎng)金的一半授予美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室的ArthurAshkin，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。另一半獎(jiǎng)金則被法國(guó)籍科學(xué)家GérardMourou（法國(guó)巴黎綜合理工學(xué)院教授、美國(guó)密歇根大學(xué)名譽(yù)教授）和他的學(xué)生DonnaStrickland（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（CPA）技術(shù)是未來(lái)超強(qiáng)超短脈沖激光器的主要發(fā)展方向。

在CPA技術(shù)之前，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。在直接放大過(guò)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(yáng)光聚焦到報(bào)紙上的一個(gè)小點(diǎn)，很容易將其點(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。

隨著CPA技術(shù)的出現(xiàn)，激光聚焦功率密度實(shí)現(xiàn)了飛躍式提升。CPA系統(tǒng)大致可分為振蕩器、展寬器、放大器和壓縮器。關(guān)鍵是在直接輸入放大器之前，先利用展寬器對(duì)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(wàn)倍，至百皮秒甚至納秒量級(jí)；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)，又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(chǔ)存能量；等獲得較高的能量以后，再通過(guò)壓縮器補(bǔ)償色散，將脈沖寬度壓縮回飛秒（皮秒）量級(jí)。

自CPA技術(shù)之后近30多年里，不僅激光的峰值功率及強(qiáng)度提高了近10個(gè)量級(jí)，而且激光裝置的體積及成本也大大降低。