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激光物理专家获2018诺贝尔奖,啁啾脉冲放大技术为什么这么重要?

来源:腾讯科技

关键词:诺贝尔奖,啁啾放大技术

2018-10-10

 本文作者方少波博士,中科院青促会会员,现就职于中国科学院物理研究所

10月2日下午,有着近300年历史的皇家瑞典科学院揭晓了2018年诺贝尔物理学奖。获奖的三位科学家在激光物理领域取得了开创性发明。奖项的一半授予美国贝尔实验室的Arthur Ashkin,表彰他所发明的光镊技术,并将此技术应用于生物体系。另一半被法国籍科学家Gérard Mourou(法国巴黎综合理工学院教授、美国密歇根大学名誉教授)和他的学生Donna Strickland(加拿大滑铁卢大学副教授)所分享。他们提出的啁啾脉冲放大技术(Chirped Pulse Amplification, CPA)正是现在产生超强超短脉冲激光的独创性方法。

这里,我们来聊一聊产生超强超短激光脉冲的啁啾(zhōu jiū)脉冲放大技术。自1960年美国加州休斯实验室的科学家梅曼宣布获得了第一束激光以来,激光技术早已融入日常生活。无论是老师上课时手持的激光笔,还是耗资数十亿欧元、长度超过3公里的欧洲自由电子激光装置,各种激光器遍及工业、通讯、科学及娱乐领域。激光物理中定义的超短脉冲是指时间尺度小于皮秒(ps)量级的电磁脉冲。照相机所使用的闪光灯,闪一次的时间大约是百分之一秒(0.01 s)。如今超短激光脉冲的闪亮时间早已达到飞秒(fs),甚至阿秒(as)量级。

众所周知,功率的单位是瓦特W,1 W = 1 J / 1 s。当激光脉冲的能量越大,激光脉冲的时间尺度越短,对应的峰值功率就越大(即增大分子,缩小分母)。为了获得极高的峰值功率,科学家不仅需要缩短激光脉冲的时间尺度,同时还需不断放大激光脉冲的能量。超强超短激光技术的革新时刻推动着高能物理、聚变能源、精密测量、化学、材料、信息、生物医学等一批基础与前沿交叉学科的开拓和发展。

在啁啾脉冲放大技术出现之前,科学家通过调Q(Q-switching)和锁模(Mode-locking)等超快激光技术已经可以将激光脉冲从毫秒(ms)量级提高到纳秒(ns)、皮秒(ps)量级。在啁啾脉冲放大技术之后出现的克尔透镜锁模(Kerr-Lens Mode-Locking,KLM)技术,甚至将激光脉冲的时间尺度直接压缩到了飞秒量级,所对应的峰值功率也得到了一定的提高。

但是,直接放大激光脉冲的能量,进一步提高峰值功率遇到了难以逾越的瓶颈。因为直接放大过程中,激光脉冲的超高峰值功率密度(功率密度=功率/聚焦光斑的面积)极易损坏放大器中增益介质和其他透射式光学元器件(其效果类似于用放大镜把太阳光聚焦到报纸上的一个小点,很容易就能将其点燃烧毁)。其次,直接放大的激光脉冲时间尺度太短,不利于高效吸收放大增益介质中的全部能量。

 

图1 激光聚焦功率密度的发展历程

 

如图1,在CPA技术出现之前,激光功率密度经历了近20年的平台区。为了避免激光脉冲放大过程中过高的峰值功率密度超过放大增益介质所能承受的破坏阈值,之前最简单粗暴的方法就是扩大增益介质口径和聚焦光斑的面积。遗憾的是,这一方案很容易受到增益介质和光学元器件实际尺寸的限制。简单计算一下就知道,假设现有的超大激光晶体直径为1米,为了增加1万倍的激光聚焦功率密度,我们就需要把原有的激光晶体直径从1米增加到100米(面积增加1万倍),并且相关的光学元器件的尺寸都需要有百倍提升。

如果需要增加1亿倍的激光聚焦功率密度,就需要直径接近1万米的光学元器件。啁啾脉冲放大技术让激光聚焦功率密度直接提升了接近10个数量级,相当于1千公里长的超大晶体(从北京到上海也就这么长)。不知道漫画英雄蚁人是否有过类似的感受。同时,如此巨大的面积带来能量密度的减少,更不利于吸收增益介质储存能量。

1985年,随着啁啾脉冲放大技术的出现,激光聚焦功率密度实现飞跃式的提升。 从CPA的基本原理图(图2)可见,整个系统大致分为振荡器、展宽器、放大器和压缩器。其关键是:

在直接输入放大器之前,先利用展宽器对振荡器输出的超短飞秒(皮秒)脉冲引入一定的色散,将脉冲宽度在时域上展宽约百万倍,至百皮秒甚至纳秒量级;这样不仅极大降低了峰值功率,而且保证了单位面积上的能量密度;

然后在放大器中进行放大,这样既降低了相关元件损伤的风险,还避免了增益饱和等许多不利的非线性效应,有利于高效吸收增益介质储存能量;

等获得较高的能量以后,再通过压缩器补偿色散,将脉冲宽度压缩回飞秒(皮秒)量级。

 

图2啁啾脉冲放大技术原理示意图

 

自CPA技术之后近30年的时间里,不仅激光的峰值功率及强度提高了近10个量级,而且激光装置的体积及成本也大大降低,得以广泛应用于高校和研究所。由于CPA技术在激光强度发展的历史中所起的作用,美国将基于CPA技术搭建的激光系统用于快点火激光聚变工程,以期彻底解决能源问题。国际上许多顶级实验室也相继建成了多台峰值功率超过拍瓦级别 (PW)的CPA装置:如劳伦斯利弗莫尔国家实验室(Lawrence Livermore National Laboratory,LLNL)的1.5 PW、450 fs钕玻璃激光系统,中科院物理研究所的1.16 PW、30 fs激光装置,韩国先进光子学研究所的1.5 PW钛宝石CPA激光系统,中物院激光聚变中心的5 PW级激光装置和中科院上海光机所最新获得的10 PW装置等。作为欧盟未来大科学装置的极光设施(Extreme Light Infrastructure,简称ELI),目标定为发展峰值功率高达200 PW的超强超短激光装置。

2013年,G. Mourou等人基于现有的光纤放大技术及相干合成技术,针对下一代粒子加速器的应用发展需求提出了一套重复频率 10 kHz、单脉冲能量10 J的设计方案。国内中国科学院物理研究所、天津大学、北京大学、清华大学、西安光机所、华东师范大学等科研单位也在该领域展开了大量工作,争取早日拉近与国外同行的差距。

备注1:CPA技术的结果最先发表在《光学通信》(五年影响影子1.57,不算高)。

备注2:这篇获奖文章的最后感谢了Mourou教授的另一位学生Steve Williams,因为Mourou教授研发CPA技术的灵感很大程度上源于这位学生与他颇具启发性的讨论。

备注3:Strickland当年作为一个新入学的博士生,在导师Mourou、同事Bado和Bouvie的帮助下很快完成了原理性实验,之后她还担心这个课题过于简单,不够博士毕业的要求。

备注4: Mourou和Strickland的奖金大约170万人民币,能在北京凑个首付?

备注5:啁啾(chirp):光脉冲瞬时频率随时间的变化而变化,类似鸟叫的声音频率也随时间的变化而变化。

备注6:毫秒、纳秒、皮秒、飞秒、阿秒的换算

 

 

参考文献:《超快光学研究前沿》魏志义 等编著 出版社:上海交通大学出版社