具有超短脈衝(chong) 和超高能量的超高強度激光器，是探索物理學、宇宙學、材料科學等領域未知事物的強大工具。在啁啾脈衝(chong) 放大（CPA）技術的幫助下，目前超高強度激光器的紀錄已經達到了10皮瓦（或1016瓦）。近期，大阪大學的研究人員在《科學報告》發表了一項研究報告，提出了下一代超強激光器的概念，其模擬峰值功率可達到千兆兆瓦級（1千兆兆瓦級等於(yu) 1000皮瓦）。

1960年，Maiman博士發明的激光器具有高強度（或脈衝(chong) 激光的高峰值功率）的重要特征：從(cong) 曆史上看，激光峰值功率經曆了兩(liang) 個(ge) 發展階段。激光器誕生後，調Q和鎖模技術將激光器的峰值功率提高到千瓦（103瓦）和吉瓦（109瓦）量級。1985年，GérardMourou和DonnaStrickland發明CPA技術之後，避免了材料損壞和光學非線性，激光峰值功率顯著提高到了太瓦（1012瓦）和皮瓦（1015瓦）量級。

目前，兩(liang) 個(ge) 10皮瓦CPA激光器分別在歐洲（ELI-NP激光器）和中國（SULF激光器）進行過演示。世界各國的皮瓦激光器設備規模很大，而且項目的投入資金很高。未來，提高超強激光器峰值功率的發展方向，是通過壓縮脈衝(chong) 持續時間替代增加脈衝(chong) 能量。

在大阪大學先前的研究中（OSAContinuum，DOI：10.1364/OSAC.2.001125），研究團隊開發了一種全新的設計⸺廣角非共線光學參量啁啾脈衝(chong) 放大（WNOPCPA）技術，以增加放大的光譜，從(cong) 而減少壓縮的脈衝(chong) 。WNOPCPA技術的關(guan) 鍵機製是利用多束泵浦增加帶寬，多束泵浦也對應了不同的放大光譜。“然而，將WNOPCPA技術應用於(yu) 大型工程，除了可能造成的破壞外，泵浦幹擾也是一個(ge) 潛在問題。”本文作者表示。

在改進設計中，研究團隊通過使用兩(liang) 光束泵浦WNOPCPA和精心優(you) 化的相位匹配，完全避免了泵浦的幹擾問題，在雙寬光譜的超寬帶帶寬條件下，實現了小於(yu) 10fs的高能激光放大。當激光器與(yu) 後壓縮技術相結合時，非線性效應引起的光譜展寬得到了顯著增強，仿真結果表明激光器的最高峰值功率可以達到千兆兆瓦級。

千兆兆瓦級激光器概念圖（圖片版權：大阪大學）

“這種設計有兩(liang) 個(ge) 優(you) 點：一是WNOPCPA技術的超寬帶帶寬放大，二是壓縮後非線性光譜展寬的增強。這項研究可能為(wei) 進一步提高激光器的峰值功率提供了一種可行性方案，甚至可以達到千兆兆瓦級。”作者最後談到。

延伸閱讀

2018年10月，瑞典皇家科學院揭曉了當年的諾貝爾物理學獎。獲獎的三位科學家在激光物理領域取得了開創性發明。獎金的一半授予美國貝爾實驗室的ArthurAshkin，表彰他所發明的光鑷技術，並將此技術應用於(yu) 生物體(ti) 係。另一半獎金則被法國籍科學家GérardMourou（法國巴黎綜合理工學院教授、美國密歇根大學名譽教授）和他的學生DonnaStrickland（加拿大滑鐵盧大學副教授）所分享。他們(men) 提出的啁啾脈衝(chong) 放大（CPA）技術是未來超強超短脈衝(chong) 激光器的主要發展方向。

在CPA技術之前，直接放大激光脈衝(chong) 的能量，進一步提高峰值功率遇到了難以逾越的瓶頸。在直接放大過程中，激光脈衝(chong) 的超高峰值功率密度（功率密度=功率/聚焦光斑的麵積）極易損壞放大器中增益介質和其他透射式光學元器件（其效果類似於(yu) 用放大鏡把太陽光聚焦到報紙上的一個(ge) 小點，很容易將其點燃燒毀）。其次，直接放大的激光脈衝(chong) 時間尺度太短，不利於(yu) 高效吸收放大增益介質中的全部能量。

隨著CPA技術的出現，激光聚焦功率密度實現了飛躍式提升。CPA係統大致可分為(wei) 振蕩器、展寬器、放大器和壓縮器。關(guan) 鍵是在直接輸入放大器之前，先利用展寬器對振蕩器輸出的超短飛秒（皮秒）脈衝(chong) 引入一定的色散，將脈衝(chong) 寬度在時域上展寬約百萬(wan) 倍，至百皮秒甚至納秒量級；這樣不僅(jin) 極大降低了峰值功率，而且保證了單位麵積上的能量密度；然後在放大器中進行放大，這樣既降低了相關(guan) 元件損傷(shang) 的風險，又避免了增益飽和等許多不利的非線性效應，有利於(yu) 高效吸收增益介質儲(chu) 存能量；等獲得較高的能量以後，再通過壓縮器補償(chang) 色散，將脈衝(chong) 寬度壓縮回飛秒（皮秒）量級。

自CPA技術之後近30多年裏，不僅(jin) 激光的峰值功率及強度提高了近10個(ge) 量級，而且激光裝置的體(ti) 積及成本也大大降低。