2.如何獲得超短超強激光？

首先亮出觀點：

啁啾脈衝(chong) 放大的核心是時間換空間。

激光重新定義(yi) 了光，啁啾脈衝(chong) 放大重新定義(yi) 了激光。

激光的功率就是激光單位時間的能量，即P=E/t。從(cong) 公式可以看出，有兩(liang) 個(ge) 方法可以提高激光的功率。一個(ge) 是提高能量，一個(ge) 是減少脈衝(chong) 持續時間。

首先看脈衝(chong) 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(wan) 瓦量級。前不久看新聞，國防科大通過光纖組束，獲得了10萬(wan) 瓦的功率。繼續提高連續光的功率麵臨(lin) 著諸多挑戰。

對於(yu) 脈衝(chong) 激光，峰值功率破萬(wan) 瓦是件輕鬆寫(xie) 意的事情。一個(ge) 調Q激光，脈衝(chong) 寬度在納秒量級，脈衝(chong) 能量在亞(ya) 毫焦量級，峰值功率可以達到萬(wan) 瓦，而成本可以低於(yu) 2萬(wan) 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(chong) 的演化過程。從(cong) 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(ge) 人喝水，如果一個(ge) 人大小便失禁，每喝一口水就立即尿出來，那麽(me) 他的尿的流速可以認為(wei) 等於(yu) 喝水的速度。如果這個(ge) 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，那他解開褲子的一刹那將一瀉千裏。連續激光類似大小便失禁，釋放能量的速率即功率約為(wei) 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(yu) 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(men) 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(hui) 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(ge) 頻率成分雜亂(luan) 無章的時候，激光的強度弱。當激光的各個(ge) 頻率成分相位鎖定的時候，會(hui) 形成一個(ge) 窄脈衝(chong) ，峰值功率急劇提升。目前的鎖模脈衝(chong) 脈寬可短至5飛秒。峰值功率在吉瓦量級。

人們(men) 想繼續提高脈衝(chong) 的峰值功率，然而此時卻遇到了困難。對於(yu) 一般的激光晶體(ti) ，為(wei) 了避免放大過程中的非線性效應，脈衝(chong) 在晶體(ti) 上的光強要小於(yu) 10 GW/cm^2左右。光強為(wei) 功率除以光斑麵積，即I=P/A。如果要直接放大飛秒脈衝(chong) 獲得太瓦功率，則光斑麵積為(wei) A=P/I=10^12W/(10x10^9W/cm^2)=100 cm^2. 即要求一個(ge) 口徑10 cm的晶體(ti) 。常用的激光晶體(ti) 如鈦寶石的最大口徑約為(wei) 15cm，一塊晶體(ti) 就可以在帝都或者魔都貸款買(mai) 房了。如果要繼續提高功率的話，還得線性的增加晶體(ti) 的尺寸。很顯然，增加晶體(ti) 口徑的方法，一來提升幅度有限，二來價(jia) 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。

我不知道在那20年激光中世紀的博士是怎麽(me) 畢業(ye) 的，那個(ge) 時候還沒有碼農(nong) 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(chong) 捅進一段光纖中，脈衝(chong) 的脈寬被展寬了，然後進行放大，最後用一個(ge) 光柵對將脈寬壓縮回去。他們(men) 給這個(ge) 方法起了個(ge) 名字，叫chirped pulse amplification (CPA)，啁啾脈衝(chong) 放大。這個(ge) 實驗結果發表在了影響因子隻有1.5的optics communication上麵。影響因子1.5是無法衡量這個(ge) 實驗的意義(yi) 的。所以每當我投optics communication的時候，都會(hui) 認為(wei) 自己工作的意義(yi) 是無法估量的。

再介紹下啁啾脈衝(chong) 放大的原理，啁啾的英文chirp是個(ge) 擬聲詞，模擬的鳥叫的聲音。鳥叫的聲音有個(ge) 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。

傅裏葉極限的飛秒脈衝(chong) ，經過色散元件後，相位會(hui) 發生變化。體(ti) 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(hui) 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(wei) 一個(ge) 傅裏葉極限3fs的脈衝(chong) 引入15 fs^2二階色散後的情況。可以看出，而且脈衝(chong) 的寬度展寬到14 fs，而且脈衝(chong) 的頻率隨著時間增加。 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(wei) 引入線性正啁啾。

至此，啁啾脈衝(chong) 是怎麽(me) 回事就算是說的差不多了。再來提提峰值功率的事情。晶體(ti) 材料的激光光強要小於(yu) 10 GW/cm^2，降低激光脈衝(chong) 在材料上的光強，一是擴大光斑直徑，一是擴大脈衝(chong) 寬度，而且光強隨光斑直徑和脈衝(chong) 寬度的變化都是線性的。晶體(ti) 口徑的變化範圍為(wei) 1~15cm，很小。然而，采用啁啾脈衝(chong) 的方法，可以把30飛秒的脈衝(chong) 展寬到1納秒，展寬倍數為(wei) 數十萬(wan) 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(chong) 放大稱之為(wei) 時間換空間。自從(cong) 人們(men) 點開了啁啾脈衝(chong) 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(ge) 國家的10 PW 項目也都在如火如荼的開展。