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CPA技術開創了飛秒脈沖放大的新時代——談2018年諾獎中的啁啾脈沖放大技術 精選

已有 7171 次閱讀 2018-10-2 22:07 |系統分類:科研筆記| 諾貝爾獎, 物理學, 啁啾脈沖放大

 

2018年諾貝爾物理學獎除給了光鑷發明者Arthur Ashkin,另一部分給了啁啾脈沖放大技術(CPA)的發明者Mourou先生和他的學生Strickland教授。既出人意料,也在意料之中。

飛秒激光脈沖的放大,在很長時間內是令人頭痛的問題。主要問題是,極短的脈沖不利于吸收放大介質中的能量,和高峰值功率極易破壞放大器中的光學元器件。

對后者,簡單的解決方法是,將脈沖的光束截面擴大,以減少單位面積內的脈沖能量和功率?墒,面積的擴大可能會帶來泵浦能量密度的減少,更不利于吸收增益介質儲存的能量。而且,光束面積的擴大是有限的。

Mourou先生及其學生Strickland,聯想到雷達放大技術。雷達脈沖放大,就是利用雷達脈沖的寬帶頻譜,把雷達脈沖調制為頻域的啁啾(類似鳥的叫聲),在時域就是脈沖的展寬,再放大,以避免高峰值功率破壞的。能不能把這個技術移植到激光脈沖放大呢?因為飛秒激光脈沖本身也對應著非常寬的光譜。利用色散技術(不同的波長速度不同),將脈沖在時域展寬,然后再放大,不就既能避免放大中的光學損傷,又能更有效地獲取增益了嗎?接下來的問題是,介質材料的色散實在太小,有限長度內展寬不了多少。所幸的是,時間已至1980年代中期,光纖技術已經成熟。用光纖!于是,他們就用幾公里的光纖,把脈沖展寬到了幾百皮秒。后面的放大就順理成章了。因為是利用頻率的啁啾將脈沖展寬再放大的,這種技術就被命名為啁啾脈沖放大技術(chirped pulse amplification,CPA)。放大后,脈沖再壓縮原來的寬度。但是發現,因為高階色散的失配,光纖展寬后的脈沖再壓縮并非完美。直到光柵脈沖展寬器發明,光纖脈沖展寬器才被淘汰(當然有的場合還在用),脈沖壓縮才逐漸完美。這是后話了。

這個發明可不得了。飛秒脈沖的峰值功率從原來的千瓦級,一下子就躥升到了兆瓦(106W),到太瓦(10^12W),直到現在的拍瓦(1015W)【見下圖】。所以,Mourou/Strickland師生獲得諾獎,也當之無愧。

可是,這個技術能不能得諾貝爾獎,一直就有爭議!因為有人認為,這個技術,只不過是將雷達放大技術移植到了激光技術,不能算是原創。

但是諾獎委員會不這么看。他們的思路是,如果沒有這個技術,哪怕是移植,能有飛秒激光在科學和工業界的普遍應用嗎?能有今天的拍瓦激光嗎?能有后來的阿秒脈沖嗎?如果沒有,這個獎給了Mourou/Strickland師徒就是值得的!

CPA.jpg

此圖雖然有點老,但仍然可以看出,CPA技術的發明,引發了飛秒激光脈沖的峰值功率的飛速提高。


(此文已授權“光電匯”微信號發布)



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