光学基础知识大讲堂

——第6期：如何提高激光的功率？

激光是20世纪以来，在科技领域中继原子能、计算机、半导体之后，人类的又一重大发明，堪称新时代的“四大发明”之一。自1917年爱因斯坦提出了一整套受激辐射放大理论，直到1960年第一台激光器才正式问世。当然这其中经历了很多的曲折，但是自诞生之日开始，由于激光一系列优异的特性，人们就预言到了激光将对人类文明产生深远的影响。目前，激光应用已经遍及物理学、天文学、生物医学、工业制造、通信、军事等领域。小到一支激光笔，大到美国国家点火装置（NIF）、中国的神光（SG）系列装置都是用来产生特定激光的激光器。激光器的工作原理已经在第2期：什么是激光的相干性中详细介绍了，这里不再赘述。那么问题来了，产生激光肯定不是我们的最终目标，我们现在又在追求什么？更高功率、更高质量的激光，然后应用到更多的领域中去，对，就是这样子。
     接下来进入正题，我们如何才能提高激光器的输出功率。首先想到的是提高激光器的泵浦功率（能量），就像武侠中内力传输一样，即使再笨（转换效率低），只要有足够高的输入，输出自然就高。显然，这只是最低级的办法，如何在资源一定的情况下，通过提高自身的修为（激光器）来提升输出功率，才是我们想要的。
     讲到这里，不明真相的看官可能懵了，我们追求的激光参数到底是哪个？功率，能量还是其他？好吧，我们再来捋一下思路。能量除以时间等于功率，所以正常情况下，功率相对于能量更合适我们，举个栗子，在相同能量的激光，在1s时间和在1min时间打到你身上，效果哪个强？毫无疑问，时间越短，功率越高，效果越厉害（差点说个“好”字）。细心的小伙伴可能发现了另外一个点，激光打在你身上一个点和打在你整个人身上，效果能一样吗？不一样。显然，结果出来了，我们追求的是单位面积内的激光功率（单位：W/m2），即激光能量密度或者叫激光功率密度。好的，那提高激光质量的主要内容（前面提到的转换效率算一个，这个除外）就可以分为两部分：第一部分，提高激光功率；第二部分：将激光聚焦到尽量小的面积上。那么今天，就先讲讲如何提高激光的功率吧。

调Q技术

首先，介绍下第一种技术：调Q技术。国际惯例，先介绍下什么是调Q。调Q技术是将激光能量压缩到宽度极窄的脉冲中，从而使激光光源的峰值功率提高几个数量级的一种技术（脉冲宽度指的就是时间，通常我们所说的飞秒激光就是脉冲宽度为飞秒量级的激光）。
      好，那么问题又来了，为什么要压缩？怎么样压缩？
     在光学基础知识大讲堂第2期激光原理部分介绍过激光产生的条件：需要形成粒子数反转。那么当粒子数反转超过一定值后，就会形成振荡，产生激光。当激光发射以后，上能级粒子数就消耗掉了，所以振荡就停止了，直到下一次粒子数累积后再反转（专业术语：弛豫振荡）。这也就是为什么普通激光器峰值功率不能提高的原因（一般只有千瓦数量级）。这就像大坝拦截水库里的水一样，当水上涨超过大坝上沿，就会溢出，那如果想要一下子得到大量的水怎么办？提高大坝的高度，然后使水位上涨，每隔一定时间将大坝位置下降到原位，这样就哗啦一下能得到比原来高很多倍的水量。
     调Q利用的就是这个原理，大坝就是激光器固有的损耗值，通过改变损耗值就能控制粒子数反转的阈值。改变激光器损耗的方法很多，比如转镜调Q、电光调Q、声光调Q、饱和吸收调Q等。再以电光调Q为例，在激光器里面新添加的器件是偏振片和电光晶体，然后通过周期控制电光晶体，使得其偏振方向与前面偏振片方向周期性转变：平行或者垂直。偏振原理：当偏振片平行时，光全部通过；偏振片正交（即垂直）时，光全部拦截。当光全部拦截时就表示激光器的损耗非常非常大。调Q技术一般可以提高2个数量级的峰值功率，达到10^6W （MW）量级（^表示幂次方），脉宽为纳秒量级左右。

图1 电光调Q原理（图片来源于网络）

锁模技术

那如果还要再提高峰值功率，缩短脉宽，调Q技术就实现不了了。接下来锁模技术出场了。锁模，也叫锁相，顾名思义，就是锁定激光器的模式，或者锁定激光的相位。回顾下干涉的原理：当电磁波（光）满足一定的条件：相位差（光程差）恒定，振动方向一致，就会产生干涉。如图2（b）所示，当锁定不同激光纵模（即频率）之间的相位差后，就会将大部分能量集中到干涉增强处；图2（b）为普通未锁定相位的光强时域分布。通过这种方法，可以将脉冲宽度压缩到皮秒量级，甚至到亚飞秒量级，功率达到10^9W（GW）量级。

图2 锁模技术原理

啁啾脉冲放大技术

然后在上面二种技术发明之后，在很长一段时间内，峰值功率都不能提高，因为再直接放大能量会引起非线性效应以及损伤光学元件，直到1985年啁啾脉冲放大（CPA）技术的发明。CPA技术不仅将峰值功率提升了近10个数量级，而且体积小、成本低，也避免了上述的问题，甚至成为类似于神光系列大装置激光系统的基本手段。

图3 啁啾脉冲放大技术原理（图片来源于网络）

CPA技术原理如图3所示，结构上分为四部分：振荡器、展宽器、放大器、压缩器。原理就是先展宽、然后放大、再压缩成高功率短脉冲的激光。这个好处就在于，极大地避免了在带有增益介质的放大器中产生高峰值功率的激光，从而避免元件损伤等。
     当然，脉冲激光的峰值功率提高到这个量级后，我们追求的已经不单单是功率了，对比度也显得非常重要（看到这里的朋友，我很欣赏你，说明你是真的想了解这个技术，那我也就不怕对你讲得更专业点了）。举个栗子，当超短超强的脉冲激光密度高于10^17 W/cm2，而一般对比度差不多为10^6，那么预脉冲（一般CPA采用多级放大）和放大自发辐射（ASE）的强度都会超过了10^11 W/cm2，这个强度等级已经足以与物质发生相互作用，从而改变主脉冲的初始状态，进而对实验结果产生重大影响。
     好的，那有没有解决办法？有。

光学参量啁啾脉冲放大技术

前面提到了啁啾脉冲放大技术的一些缺点，为了克服这些缺点，1992年提出了另一种光学参量啁啾脉冲放大（OPCPA）技术的思路，其原理就是把基于增益介质的放大器替换成基于非线性过程的参量放大器。接下来我再介绍下参量放大器的原理，自然就知道为什么它可以克服上面的缺点了。
     光学参量放大（OPA）是指一束高频率的光（泵浦光）和一束低频率的光（信号光）同时进入非线性介质中，输出中的信号光由于差频效应而得到放大，当然于此同时会产生两者光频差的第三种相干光，我们称之为闲频光（必须符合能量守恒定律）。

图4 光学参量放大原理图

由于该技术采用非线性晶体（例如KDP、BBO等），而不是利用增益介质的粒子数反转，所以没有热效应，没有ASE效应等，具有非常高的信噪比，我们的目的就达到了。细心的小伙伴会发现，参量放大会产生不同于信号光和泵浦光的第三种闲频光，这不还可以用来拓宽激光光谱吗？对的，Chinese Optics Letters 2016年第4期封面文章报道了南京大学祝世宁教授团队的研究成果，就是利用光参量放大过程获得高效率的中红外皮秒激光输出，比如1064nm波长的泵浦光，可以产生1466.5nm的信号光和3876nm的闲频光（我们想要的），这是一般激光器不能够产生的激光波长范围。好了，本期就讲到这里，由于这些里面涉及的技术太多，不能面面俱到，草草收尾，还望见谅！