CPA 技术:超快激光发展之路的里程碑

来源:激光制造网整理    关键词:CPA技术, 超强超快激光, 诺贝尔物理学奖,    发布时间:2020-01-06

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《诺贝尔物理学家为LMN 2020世界激光制造大会特发贺词》中我们提到了两名诺贝尔物理学奖得主,他们分别是Gérard  Mourou和Donna Strickland,他们都因发明产生超短超强激光脉冲的啁啾脉冲放大技术(即CPA技术)而获奖。


左:Gérard Mourou    右:Donna Strickland

什么是啁啾脉冲放大技术?

它的发明对激光物理有怎样的意义?


CPA技术产生的背景

20 世纪 60 至 70 年代,超短脉冲激光研究的主流内容是如何产生 更短的脉宽。1981年,随着碰撞脉冲锁模(Colliding Pulse Mode-locking,CPM)技术 的发明,美国贝尔实验室的 R. L. Fork 等人利用染料激光器直接产生了 90fs 的脉冲,标志着超短脉冲激光研究进入了飞秒时代,也称之为超快时代。但由于固体激光介质的自聚焦 效应及导致的元件损伤问题,以及液体及气体激光介质较低的饱和通量问题,致使激光自发明以来,强度提高的发展非常缓慢。


CPA技术产生,超快激光发展迎来辉煌时刻

1986 年前后,超快激光发展历史上迎来了 具有辉煌意义的岁月。不仅 R. L. Fork 等人通过腔外压缩技术将 CPM 输出的飞秒脉冲激 光推进到了 6 fs 的最短脉冲世界纪录并保持到 1996 年,而且 F. Moulton 报道了迄今仍是 飞秒激光产生及放大性能最优良的掺钛蓝宝石晶体,特别是Gérard  Mourou和Donna Strickland借鉴雷达中的微波放大技术,首次实验演示了激光啁啾脉冲的放大与压缩,揭开了超快激光向超强激光飞跃的序幕。


CPA技术是实现超短脉冲激光放大的核心技术,是实现高峰值功率激光的最佳手段。其原理及原因是:超短脉冲激光分支功率较高,直接放大时,能量增加后,峰值功率过高,会损伤光学镜片及放大用的晶体等元件,需要在时域上将脉冲展宽到皮秒甚至纳秒,降低峰值功率,这样在放大过程中就降低了损伤元件的风险,而且由于脉宽变宽了,与泵浦激光的重合时间更长,可以提取更多的能量。能量放大后将光斑扩大,时域上再把脉宽宽度压缩回到原来的超短状态,这样就既得到了短脉冲,又安全的获得了高的单脉冲能量,实现了高峰值功率的超短脉冲激光。


对激光物理有和意义?

由此可见,啁啾脉冲放大技术的发明,极大地推进了超短超快激光的发展和应用,如今在国内外的超大型激光装置中都获得了广泛应用。如果没用CPA技术,飞秒激光可能只是昙花一现,难以有今天的局面。期待未来在超快超强激光领域,还会产生新的诺贝尔奖。




延展阅读

我国在激光物理学领域的研究现状

国内在超快激光技术领域具有较强的基础,CPA发明后仅仅几年时间,中科院西安光机所、天津大学等单位在侯洵院士领衔的“攀登计划”支持下,就开展了该技术的实验研究。


近年来,中科院物理研究所、上海光机所及中国工程物理研究院等单位在科技部、863及基金委等部门的支持下,经过多年系统深入的研究,相继取得了突破世界纪录的结果。如上海光机所去年取得的10PW的峰值功率,是目前基于CPA技术所见报导的最高峰值功率,我国科学家取得的相关成果,已在国际上形成重要影响,也极大地提高了我国在该领域的国际地位。


上海超强超短激光实验装置大厅


Gérard Mourou教授也曾先后多次访问中科院西安光机所、物理研究所、上海光机所、上海交通大学等单位并做学术报告。


中国科学院物理研究所魏志义研究员在本媒《超快激光的工业应用迎来良好机遇》的访谈中提到:未来,希望通过我们团队及国内同行的工作,让国产超快激光的比例能得到提高,从而使超快激光能从高高在上的价格上降下来。要做到这一点,离不开国内超快激光用户的支持与超快激光从业者的共同努力。随着价格的平民化,而不仅仅是“有钱人”的游戏,超快激光的应用无疑会得到进一步的推广和普及,从而促进科技创新及社会经济的发展。
随着我国巨大的市场需求,超快激光一定是一个新的蓝海市场,它将成为激光产业一个强有力的增长点!