2018諾貝爾物理學獎評論：啁啾脈衝放大技術為什麼這麼重要？

10月2日下午，有著近300年曆史的皇家瑞典科學院揭曉了2018年諾貝爾物理學獎。獲獎的三位科學家在鐳射物理領域取得了開創性發明。獎項的一半授予美國貝爾實驗室的Arthur Ashkin，表彰他所發明的光鑷技術，並將此技術應用於生物體系。另一半被法國籍科學家Gérard Mourou（法國巴黎綜合理工學院教授、美國密歇根大學名譽教授）和他的學生Donna Strickland（加拿大滑鐵盧大學副教授）所分享。他們提出的啁啾脈衝放大技術（Chirped Pulse Amplification, CPA）正是現在產生超強超短脈衝鐳射的獨創性方法。

這裡，我們來聊一聊產生超強超短鐳射脈衝的啁啾（zhōu jiū）脈衝放大技術。自1960年美國加州休斯實驗室的科學家梅曼宣佈獲得了第一束鐳射以來，鐳射技術早已融入日常生活。無論是老師上課時手持的鐳射筆，還是耗資數十億歐元、長度超過3公里的歐洲自由電子鐳射裝置，各種鐳射器遍及工業、通訊、科學及娛樂領域。鐳射物理中定義的超短脈衝是指時間尺度小於皮秒量級（1 ps = 10-12 s）的電磁脈衝。照相機所使用的閃光燈，閃一次的時間大約是百分之一秒（0.01 s）。如今超短鐳射脈衝的閃亮時間早已達到飛秒（1 fs = 10-15 s），甚至阿秒（1 as = 10-18 s = 0.000000000000000001s）量級。

眾所周知，功率的單位是瓦特W，1 W = 1 J / 1 s。當鐳射脈衝的能量越大，鐳射脈衝的時間尺度越短，對應的峰值功率就越大（即增大分子，縮小分母）。為了獲得極高的峰值功率，科學家不僅需要縮短鐳射脈衝的時間尺度，同時還需不斷放大鐳射脈衝的能量。超強超短鐳射技術的革新時刻推動著高能物理、聚變能源、精密測量、化學、材料、資訊、生物醫學等一批基礎與前沿交叉學科的開拓和發展。

在啁啾脈衝放大技術出現之前，科學家通過調Q（Q-switching）和鎖模（Mode-locking）等超快鐳射技術已經可以將鐳射脈衝從毫秒（1 ms = 10-3 s）量級提高到納秒（1 ns = 10-9 s）、皮秒（1 ps = 10-12 s）量級。在啁啾脈衝放大技術之後出現的克爾透鏡鎖模（Kerr-Lens Mode-Locking，KLM）技術，甚至將鐳射脈衝的時間尺度直接壓縮到了飛秒量級，所對應的峰值功率也得到了一定的提高。

但是，直接放大鐳射脈衝的能量，進一步提高峰值功率遇到了難以逾越的瓶頸。因為直接放大過程中，鐳射脈衝的超高峰值功率密度（功率密度=功率/聚焦光斑的面積）極易損壞放大器中增益介質和其他透射式光學元器件（其效果類似於用放大鏡把太陽光聚焦到報紙上的一個小點，很容易就能將其點燃燒燬）。其次，直接放大的鐳射脈衝時間尺度太短，不利於高效吸收放大增益介質中的全部能量。

圖1 鐳射聚焦功率密度的發展歷程

如圖1，在CPA技術出現之前，鐳射功率密度經歷了近20年的平臺區之後突飛猛進。為了避免鐳射脈衝放大過程中過高的峰值功率密度超過放大增益介質所能承受的破壞閾值，之前最簡單粗暴的方法就是擴大增益介質口徑和聚焦光斑的面積。遺憾的是，這一方案很容易受到增益介質和光學元器件實際尺寸的限制。簡單計算一下就知道，假設現有的超大鐳射晶體直徑為1米，為了增加1萬倍的鐳射聚焦功率密度，我們就需要把原有的鐳射晶體直徑從1米增加到100米（面積增加1萬倍），並且相關的光學元器件的尺寸都需要有百倍提升。

如果需要增加1億倍的鐳射聚焦功率密度，就需要直徑接近1萬米的光學元器件。啁啾脈衝放大技術讓鐳射聚焦功率密度直接提升了接近10個數量級，相當於1千公里長的超大晶體（從北京到上海也就這麼長）。不知道漫畫英雄蟻人是否有過類似的感受。同時，如此巨大的面積帶來能量密度的減少，更不利於吸收增益介質儲存能量。

1985年，隨著啁啾脈衝放大技術的出現，鐳射聚焦功率密度實現飛躍式的提升。 從CPA的基本原理圖（圖2）可見，整個系統大致分為振盪器、展寬器、放大器和壓縮器。其關鍵是：

在直接輸入放大器之前，先利用展寬器對振盪器輸出的超短飛秒（皮秒）脈衝引入一定的色散，將脈衝寬度在時域上展寬約百萬倍，至百皮秒甚至納秒量級；這樣不僅極大降低了峰值功率，而且保證了單位面積上的能量密度；

然後在放大器中進行放大，這樣既降低了相關元件損傷的風險，還避免了增益飽和等許多不利的非線性效應，有利於高效吸收增益介質儲存能量；

等獲得較高的能量以後，再通過壓縮器補償色散，將脈衝寬度壓縮回飛秒（皮秒）量級。

圖2啁啾脈衝放大技術原理示意圖

自CPA技術之後近30年的時間裡，不僅鐳射的峰值功率及強度提高了近10個量級，而且鐳射裝置的體積及成本也大大降低，得以廣泛應用於高校和研究所。由於CPA技術在鐳射強度發展的歷史中所起的作用，美國將基於CPA技術搭建的鐳射系統用於快點火鐳射聚變工程，以期徹底解決能源問題。國際上許多頂級實驗室也相繼建成了多臺峰值功率超過拍瓦級別 (1015 W，PW)的CPA裝置：如勞倫斯利弗莫爾國家實驗室（Lawrence Livermore National Laboratory，LLNL）的1.5 PW、450 fs釹玻璃鐳射系統，中科院物理研究所的1.16 PW、30 fs鐳射裝置，韓國先進光子學研究所的1.5 PW鈦寶石CPA鐳射系統，中物院鐳射聚變中心的5 PW級鐳射裝置和中科院上海光機所最新獲得的10 PW裝置等。作為歐盟未來大科學裝置的極光設施（Extreme Light Infrastructure，簡稱ELI），目標定為發展峰值功率高達200 PW的超強超短鐳射裝置。

2013年，G. Mourou等人基於現有的光纖放大技術及相干合成技術，針對下一代粒子加速器的應用發展需求提出了一套重複頻率 10 kHz、單脈衝能量10 J的設計方案。國內中國科學院物理研究所、天津大學、北京大學、清華大學、西安光機所、華東師範大學等科研單位也在該領域展開了大量工作，爭取早日拉近與國外同行的差距。

備註1：CPA技術的結果最先發表在《光學通訊》（五年影響影子1.57，不算高）。

備註2：這篇獲獎文章的最後感謝了Mourou教授的另一位學生Steve Williams，因為Mourou教授研發CPA技術的靈感很大程度上源於這位學生與他頗具啟發性的討論。

備註3：Strickland當年作為一個新入學的博士生，在導師Mourou、同事Bado和Bouvie的幫助下很快完成了原理性實驗，之後她還擔心這個課題過於簡單，不夠博士畢業的要求。

備註4： Mourou和Strickland的獎金大約170萬人民幣，能在北京湊個首付？