10月2日下午，有著近300年曆史的皇家瑞典科學院揭曉了2018年諾貝爾物理學獎。獲獎的三位科學家在激光物理領域取得了開創性發明。獎項的一半授予美國貝爾實驗室的Arthur Ashkin，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。另一半被法國籍科學家Gérard Mourou（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Donna Strickland（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) 放大技術（Chirped Pulse Amplification, CPA）正是現在產(chan) 生超強超短脈衝(chong) 激光的獨創性方法。

這裏，我們(men) 來聊一聊產(chan) 生超強超短激光脈衝(chong) 的啁啾（zhōu jiū）脈衝(chong) 放大技術。自1960年美國加州休斯實驗室的科學家梅曼宣布獲得了第一束激光以來，激光技術早已融入日常生活。無論是老師上課時手持的激光筆，還是耗資數十億(yi) 歐元、長度超過3公裏的歐洲自由電子激光裝置，各種激光器遍及工業(ye) 、通訊、科學及娛樂(le) 領域。激光物理中定義(yi) 的超短脈衝(chong) 是指時間尺度小於(yu) 皮秒（ps）量級的電磁脈衝(chong) 。照相機所使用的閃光燈，閃一次的時間大約是百分之一秒（0.01 s）。如今超短激光脈衝(chong) 的閃亮時間早已達到飛秒（fs），甚至阿秒（as）量級。

眾(zhong) 所周知，功率的單位是瓦特W，1 W = 1 J / 1 s。當激光脈衝(chong) 的能量越大，激光脈衝(chong) 的時間尺度越短，對應的峰值功率就越大（即增大分子，縮小分母）。為(wei) 了獲得極高的峰值功率，科學家不僅(jin) 需要縮短激光脈衝(chong) 的時間尺度，同時還需不斷放大激光脈衝(chong) 的能量。超強超短激光技術的革新時刻推動著高能物理、聚變能源、精密測量、化學、材料、信息、生物醫學等一批基礎與(yu) 前沿交叉學科的開拓和發展。

在啁啾脈衝(chong) 放大技術出現之前，科學家通過調Q（Q-switching）和鎖模（Mode-locking）等超快激光技術已經可以將激光脈衝(chong) 從(cong) 毫秒（ms）量級提高到納秒（ns）、皮秒（ps）量級。在啁啾脈衝(chong) 放大技術之後出現的克爾透鏡鎖模（Kerr-Lens Mode-Locking，KLM）技術，甚至將激光脈衝(chong) 的時間尺度直接壓縮到了飛秒量級，所對應的峰值功率也得到了一定的提高。

但是，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。因為(wei) 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，很容易就能將其點燃燒毀）。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。

圖1 激光聚焦功率密度的發展曆程

如圖1，在CPA技術出現之前，激光功率密度經曆了近20年的平台區。為(wei) 了避免激光脈衝(chong) 放大過程中過高的峰值功率密度超過放大增益介質所能承受的破壞閾值，之前最簡單粗暴的方法就是擴大增益介質口徑和聚焦光斑的麵積。遺憾的是，這一方案很容易受到增益介質和光學元器件實際尺寸的限製。簡單計算一下就知道，假設現有的超大激光晶體(ti) 直徑為(wei) 1米，為(wei) 了增加1萬(wan) 倍的激光聚焦功率密度，我們(men) 就需要把原有的激光晶體(ti) 直徑從(cong) 1米增加到100米（麵積增加1萬(wan) 倍），並且相關(guan) 的光學元器件的尺寸都需要有百倍提升。

如果需要增加1億(yi) 倍的激光聚焦功率密度，就需要直徑接近1萬(wan) 米的光學元器件。啁啾脈衝(chong) 放大技術讓激光聚焦功率密度直接提升了接近10個(ge) 數量級，相當於(yu) 1千公裏長的超大晶體(ti) （從(cong) 北京到上海也就這麽(me) 長）。不知道漫畫英雄蟻人是否有過類似的感受。同時，如此巨大的麵積帶來能量密度的減少，更不利於(yu) 吸收增益介質儲(chu) 存能量。

1985年，隨著啁啾脈衝(chong) 放大技術的出現，激光聚焦功率密度實現飛躍式的提升。 從(cong) CPA的基本原理圖（圖2）可見，整個(ge) 係統大致分為(wei) 振蕩器、展寬器、放大器和壓縮器。其關(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，還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。

圖2啁啾脈衝(chong) 放大技術原理示意圖

自CPA技術之後近30年的時間裏，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，得以廣泛應用於(yu) 高校和研究所。由於(yu) CPA技術在激光強度發展的曆史中所起的作用，美國將基於(yu) CPA技術搭建的激光係統用於(yu) 快點火激光聚變工程，以期徹底解決(jue) 能源問題。國際上許多頂級實驗室也相繼建成了多台峰值功率超過拍瓦級別 (PW)的CPA裝置：如勞倫(lun) 斯利弗莫爾國家實驗室（Lawrence Livermore National Laboratory，LLNL）的1.5 PW、450 fs釹玻璃激光係統，中科院物理研究所的1.16 PW、30 fs激光裝置，韓國先進光子學研究所的1.5 PW鈦寶石CPA激光係統，中物院激光聚變中心的5 PW級激光裝置和中科院上海光機所最新獲得的10 PW裝置等。作為(wei) 歐盟未來大科學裝置的極光設施（Extreme Light Infrastructure，簡稱ELI），目標定為(wei) 發展峰值功率高達200 PW的超強超短激光裝置。

2013年，G. Mourou等人基於(yu) 現有的光纖放大技術及相幹合成技術，針對下一代粒子加速器的應用發展需求提出了一套重複頻率 10 kHz、單脈衝(chong) 能量10 J的設計方案。國內(nei) 中國科學院物理研究所、天津大學、北京大學、清華大學、西安光機所、華東(dong) 師範大學等科研單位也在該領域展開了大量工作，爭(zheng) 取早日拉近與(yu) 國外同行的差距。

備注1：CPA技術的結果最先發表在《光學通信》（五年影響影子1.57，不算高）。

備注2：這篇獲獎文章的最後感謝了Mourou教授的另一位學生Steve Williams，因為(wei) Mourou教授研發CPA技術的靈感很大程度上源於(yu) 這位學生與(yu) 他頗具啟發性的討論。

備注3：Strickland當年作為(wei) 一個(ge) 新入學的博士生，在導師Mourou、同事Bado和Bouvie的幫助下很快完成了原理性實驗，之後她還擔心這個(ge) 課題過於(yu) 簡單，不夠博士畢業(ye) 的要求。

備注4： Mourou和Strickland的獎金大約170萬(wan) 人民幣，能在北京湊個(ge) 首付？

備注5：啁啾（chirp）：光脈衝(chong) 瞬時頻率隨時間的變化而變化，類似鳥叫的聲音頻率也隨時間的變化而變化。

備注6：毫秒、納秒、皮秒、飛秒、阿秒的換算

參考文獻：《超快光學研究前沿》魏誌義(yi) 等編著 出版社:上海交通大學出版社