摘要：在脈沖激光的發(fā)展道路上，追求更快（更短的脈沖寬度），更高（更高的平均功率），更強(qiáng)（更強(qiáng)的峰值功率密度）一直是研究者們永恒的主題，而發(fā)展超快激光脈沖放大技術(shù)就是得到更強(qiáng)峰值功率激光脈沖的有效手段之一。

CPA (Chirped Pulse Amplification):

在追求激光更強(qiáng)峰值功率密度的道路上，起初大家就是把當(dāng)時(shí)能得到的最短激光脈沖直接通過增益介質(zhì)不斷放大，懟來懟去，一路馳騁。激光脈沖可達(dá)到的極限峰值功率密度迅速上升，但是很快遇到了瓶頸，原因在于，增益介質(zhì)或者其他光學(xué)元件在過高的功率密度下會(huì)受到損傷。各位做過激光放大的同志應(yīng)該沒少經(jīng)歷過晶體鏡片打壞打穿的情況吧。

圖1：破碎的鈦寶石

而正是CPA技術(shù)的出現(xiàn)[1]打破了這個(gè)瓶頸，這無疑是激光技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要的里程碑。這里放一張不知道被引用了多少次的圖，橫軸是時(shí)間，而縱軸是激光的峰值功率密度。

圖2：激光的峰值功率密度隨時(shí)間的發(fā)展[2]。作者是CPA的發(fā)明人Mourou。

遇到了峰值功率密度過大的問題，那么很自然的想法就是不要讓峰值功率密度過大。其實(shí)是暫時(shí)不要讓峰值功率密度過大，通過這樣來保護(hù)光學(xué)元件。我們來看一個(gè)公式：

圖3：脈沖激光峰值功率密度的計(jì)算

維持脈沖能量不變的情況下，暫時(shí)把脈沖的時(shí)間寬度展寬，面積增大，這樣峰值功率密度不就降下來了嗎，自然也就避免了光學(xué)元件的損壞。只要最后還能把脈沖的時(shí)間寬度壓窄，面積聚小，峰值功率不就又上來了嗎！大道至簡(jiǎn)，天才的想法總是看起來很簡(jiǎn)單。這讓我想起小時(shí)候，每次吃肯德基，我都很喜歡里面的番茄醬，總是想要更多，吃不了還要兜著走，帶回家蘸別的東西吃。但是一個(gè)人去柜臺(tái)，小姐姐只會(huì)給你一兩包。那個(gè)時(shí)候我就有個(gè)想法，如果我叫全班同學(xué)60人來，每個(gè)人去要2包，最后大家再都給我，這樣我一下子不就有120包了嗎！即使中間可能有的同學(xué)吃掉幾包，損耗個(gè)20包，也沒關(guān)系。峰值番茄醬密度直接從2到了100（雖然平均到每個(gè)人上的平均番茄醬密度沒怎么變）！

圖4：童年的夢(mèng)想

那么關(guān)鍵就在于，激光脈沖的時(shí)間寬度可以被展寬嗎？展寬放大之后還能再壓縮回展寬前的脈沖寬度嗎？事實(shí)上是可以的，因?yàn)轱w秒激光脈沖通常會(huì)有很寬的光譜范圍，通過一些手段可以讓不同的光譜成分走過不同的距離，再把它們整合在一起。就像國(guó)慶閱兵隊(duì)伍中的一排，側(cè)面看去只有一個(gè)人，但其實(shí)一排有很多人，如果讓每個(gè)人前后錯(cuò)開一點(diǎn)，那么側(cè)面看上去會(huì)是很長(zhǎng)的一列。

圖5：整齊劃一，令人贊嘆的閱兵隊(duì)伍

通常這種不同光譜成分位于脈沖的不同時(shí)間部位的情況，叫做啁啾（chirp），這里是借鑒了通信領(lǐng)域中的概念。而啁啾的本意，是形容鳥的叫聲婉轉(zhuǎn)，不同頻率的聲音在時(shí)間上先后分開。這里就是不同頻率的光在時(shí)間上先后分開。

這種技術(shù)叫做chirped pulse amplification，啁啾脈沖放大，簡(jiǎn)稱CPA。通過前面的介紹，CPA系統(tǒng)通常由三部分組成，展寬器，放大器，壓縮器。顧名思義，展寬器就是把飛秒激光脈沖的時(shí)間寬度展寬，通常展寬到數(shù)百皮秒乃至納秒量級(jí)。常用的方式有利用光柵的馬丁內(nèi)茲型和奧弗納型展寬器，光纖激光器中常用啁啾光纖布拉格光柵（CFBG），對(duì)展寬量要求不高的情況下也有利用塊材料的色散來展寬或者用啁啾鏡展寬。放大器因增益介質(zhì)和重復(fù)頻率的不同，結(jié)構(gòu)種類繁多，但作用都是將被展寬的脈沖進(jìn)行能量提升，我們將在今后的文章里詳細(xì)討論，這里不贅述了。

壓縮器的作用是把展寬并放大了的脈沖的脈寬壓縮回去，最常使用的就是光柵對(duì)壓縮器，可以使用透射光柵或反射光柵的搭建，展寬量不大的情況下也可以用棱鏡對(duì)或啁啾鏡來進(jìn)行壓縮。在CPA技術(shù)出現(xiàn)之后，激光放大由于峰值功率密度的瓶頸被突破，又得到了迅猛發(fā)展。我國(guó)在超快激光放大領(lǐng)域的研究中也一直處于國(guó)際前列，在2011年中科院物理所L07組率先實(shí)現(xiàn)了當(dāng)時(shí)國(guó)際最高的1.16PW（1.16x10¹⁵W）峰值功率，而目前上海光學(xué)精密機(jī)械研究所也實(shí)現(xiàn)了目前國(guó)際最高的10PW峰值功率，并朝著100PW的目標(biāo)邁進(jìn)。

OPA (Optical Parametric Amplification):

一般激光放大過程的原理可以簡(jiǎn)單總結(jié)為：當(dāng)一束激光經(jīng)過處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài)的增益介質(zhì)時(shí)，在受激輻射的作用下，原有的光束得到放大。這里的能量是先從泵浦源傳遞到增益介質(zhì)，使增益介質(zhì)產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，然后再從增益介質(zhì)傳遞到被放大的激光。顯然，在傳遞過程中會(huì)產(chǎn)生不少的能量浪費(fèi)。

然而，在非線性光學(xué)中，還存在著這樣一種能量傳遞方式。激光由于較高的功率密度在介質(zhì)中會(huì)產(chǎn)生非線性效應(yīng)，這種效應(yīng)可以產(chǎn)生新頻率的激光或者使不同頻率的激光直接發(fā)生能量交換。只要通過匹配合適的條件，就可以把泵浦激光的能量通過非線性介質(zhì)直接耦合到被放大激光中。這里非線性介質(zhì)只提供一個(gè)合適的非線性效應(yīng)，能量直接從泵浦激光轉(zhuǎn)移到被放大激光中，沒有中間商賺取差價(jià)，效率自然高了很多。這種介質(zhì)不參與能量轉(zhuǎn)換的過程叫做參量過程，而利用這種參量過程來放大激光，就叫做光參量放大，optical parametric amplification，簡(jiǎn)稱OPA。我們一般稱呼泵浦激光為泵浦光（pump），被放大激光叫做信號(hào)光（signal），在參量轉(zhuǎn)換過程中一般還會(huì)產(chǎn)生其他頻率的光，叫做閑頻光（idler）。

圖6：OPA示意圖。其中綠色為泵浦光，黃色為信號(hào)光，紅色為閑頻光?？梢钥吹近S色光由暗淡變亮，得到了放大

從原理上來講，OPA有著很多優(yōu)勢(shì)，效率高、時(shí)間對(duì)比度高、支持寬光譜放大，可以同時(shí)支持較高的單脈沖能量和高平均功率。但是OPA對(duì)于泵浦光要求比較高，因?yàn)闆]有中間層，泵浦光各項(xiàng)參數(shù)的好壞會(huì)嚴(yán)重影響信號(hào)光的放大，而且需要精細(xì)的角度和距離控制。除此之外，非線性晶體目前很難生長(zhǎng)出大尺寸的產(chǎn)品，這樣也限制了光束口徑的大小。相對(duì)的，普通的非參量放大的要求就沒那么高，常用的說法就是把泵光和激光懟在晶體上就可以了。而且有不少激光晶體可以生長(zhǎng)出很大尺寸的產(chǎn)品，這樣更進(jìn)一步支持了大能量激光的放大。因?yàn)檫@些原因，目前在放大超大能量的飛秒激光脈沖的時(shí)候，還是使用普通的非參量放大作為最后幾級(jí)的主放大。

OPCPA (Optical Parametric Chirped Pulse Amplification)：

前面介紹了OPA和CPA兩種激光放大技術(shù)，實(shí)際上兩者并非毫無交集。如果在OPA即光參量放大前也進(jìn)行脈沖展寬，在放大后再進(jìn)行脈沖壓縮，那么就可以兼顧兩種放大技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。這種放大技術(shù)叫做光參量啁啾脈沖放大，optical parametric chirped pulse amplification，簡(jiǎn)稱OPCPA[3]。

由OPCPA放大的激光脈沖一般具有很高的時(shí)間對(duì)比度（基于參量放大過程的機(jī)理，大家可思考一下原因），常用作高對(duì)比度超強(qiáng)激光系統(tǒng)的前級(jí)。同時(shí)由于OPA過程具有很寬的光譜，某些情況下還自帶CEP鎖定的效果，可以實(shí)現(xiàn)平均功率數(shù)十瓦的千赫茲數(shù)太瓦輸出，也逐漸成為了目前阿秒科學(xué)研究中的利器。

參考文獻(xiàn)：

[1] Strickland, D., and G. Mourou."COMPRESSION OF AMPLIFIED CHIRPED OPTICAL PULSES." OpticsCommunications 55.3 (1985): 219-221.

[2] Mourou, G., et al."Exawatt-Zettawatt pulse generation and applications." OpticsCommunications 285.5 (2012): 720-724.

[3] Dubietis, A., G. Jonu?auskas, and A.Piskarskas. "Powerful femtosecond pulse generation by chirped andstretched pulse parametric amplification in BBO crystal." OpticsCommunications 88.4-6 (1992): 437-440.

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