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CPA技术开创了飞秒脉冲放大的新时代——谈2018年诺奖中的啁啾脉冲放大技术

已有 7665 次阅读 2018-10-2 22:07 |系统分类:科研笔记| 诺贝尔奖, 物理学, 啁啾脉冲放大

 

2018年诺贝尔物理学奖除给了光镊发明者Arthur Ashkin,另一部分给了啁啾脉冲放大技术(CPA)的发明者Mourou先生和他的学生Strickland教授。既出人意料,也在意料之中。

飞秒激光脉冲的放大,在很长时间内是令人头痛的问题。主要问题是,极短的脉冲不利于吸收放大介质中的能量,和高峰值功率极易破坏放大器中的光学元器件。

对后者,简单的解决方法是,将脉冲的光束截面扩大,以减少单位面积内的脉冲能量和功率。可是,面积的扩大可能会带来泵浦能量密度的减少,更不利于吸收增益介质储存的能量。而且,光束面积的扩大是有限的。

Mourou先生及其学生Strickland,联想到雷达放大技术。雷达脉冲放大,就是利用雷达脉冲的宽带频谱,把雷达脉冲调制为频域的啁啾(类似鸟的叫声),在时域就是脉冲的展宽,再放大,以避免高峰值功率破坏的。能不能把这个技术移植到激光脉冲放大呢?因为飞秒激光脉冲本身也对应着非常宽的光谱。利用色散技术(不同的波长速度不同),将脉冲在时域展宽,然后再放大,不就既能避免放大中的光学损伤,又能更有效地获取增益了吗?接下来的问题是,介质材料的色散实在太小,有限长度内展宽不了多少。所幸的是,时间已至1980年代中期,光纤技术已经成熟。用光纤啊!于是,他们就用几公里的光纤,把脉冲展宽到了几百皮秒。后面的放大就顺理成章了。因为是利用频率的啁啾将脉冲展宽再放大的,这种技术就被命名为啁啾脉冲放大技术(chirped pulse amplification,CPA)。放大后,脉冲再压缩原来的宽度。但是发现,因为高阶色散的失配,光纤展宽后的脉冲再压缩并非完美。直到光栅脉冲展宽器发明,光纤脉冲展宽器才被淘汰(当然有的场合还在用),脉冲压缩才逐渐完美。这是后话了。

这个发明可不得了。飞秒脉冲的峰值功率从原来的千瓦级,一下子就蹿升到了兆瓦(106W),到太瓦(10^12W),直到现在的拍瓦(1015W)【见下图】。所以,Mourou/Strickland师生获得诺奖,也当之无愧。

可是,这个技术能不能得诺贝尔奖,一直就有争议!因为有人认为,这个技术,只不过是将雷达放大技术移植到了激光技术,不能算是原创。

但是诺奖委员会不这么看。他们的思路是,如果没有这个技术,哪怕是移植,能有飞秒激光在科学和工业界的普遍应用吗?能有今天的拍瓦激光吗?能有后来的阿秒脉冲吗?如果没有,这个奖给了Mourou/Strickland师徒就是值得的!

CPA.jpg

此图虽然有点老,但仍然可以看出,CPA技术的发明,引发了飞秒激光脉冲的峰值功率的飞速提高。


(此文已授权“光电汇”微信号发布)



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