世上最強(qiáng)激光器激活！什么是啁啾脈沖放大技術(shù)？

世上最強(qiáng)激光器激活！什么是啁啾脈沖放大技術(shù)

姬揚(yáng)

2024年4月有新聞報(bào)道說，位于羅馬尼亞的一家高科技中心最近激活了世界上最強(qiáng)大的激光器。激光器我們都聽說過，知道它是一種很厲害的光源，發(fā)出來(lái)的光就是激光，強(qiáng)度大、方向性好、應(yīng)用范圍廣，但是，這個(gè)新聞里的“世界上最強(qiáng)大”體現(xiàn)在哪里呢？它是怎么實(shí)現(xiàn)的呢？大家好，我是姬揚(yáng)，今天就來(lái)講講這些事。

發(fā)光的東西就是光源，它把能量轉(zhuǎn)化為光。比如說，燃燒的蠟燭把化學(xué)能轉(zhuǎn)化為光，明亮的太陽(yáng)把原子能轉(zhuǎn)化為光，發(fā)光二極管把電能轉(zhuǎn)化為光。怎么比較這些光的強(qiáng)弱呢？這就需要考慮幾個(gè)因素，包括光的能量、照射面積和持續(xù)時(shí)間，等等。

先考慮能量。羅馬尼亞激光器發(fā)出的是脈沖式的激光，每個(gè)激光脈沖的能量大約是10焦耳，相當(dāng)于一瓶大可樂（大約1公斤）從1米高的桌子掉到地面上獲得的能量。如果砸到了你的腳上，會(huì)覺得有點(diǎn)疼，但也還能忍受。

然后是照射面積。同樣的能量施加在不同的面積上，效果是很不一樣的。這跟用手按圖釘?shù)牡览硎且粯拥模鹤饔迷趫D釘帽上的力和圖釘尖上的力一樣大，但是你的手指不會(huì)受傷，就可以把圖釘按進(jìn)木板里。普通光源發(fā)出來(lái)的光朝著四面八方走，激光具有很好的方向性，光的能量可以聚集在很小的面積上，所以強(qiáng)度（也就是通常說的光強(qiáng)）非常大。在四月份的中午，巴掌大的地面上每秒鐘接受的太陽(yáng)光能量大約就是10焦耳，而羅馬尼亞激光器的光束寬度只有幾毫米，所以它們的光強(qiáng)也就差出幾十萬(wàn)、幾百萬(wàn)倍了。

還要考慮持續(xù)的時(shí)間。能量除以時(shí)間，就是我們通常說的功率。同樣的能量在不同的時(shí)間長(zhǎng)度里釋放出來(lái)，功率是很不一樣的，效果也是大不相同的。比如說，小明扶著老奶奶過馬路，和警察一腳踹在流氓的屁股上，他們付出的總能量可能差不多，但是老奶奶安全地到達(dá)了馬路對(duì)面，而壞人卻直接來(lái)了個(gè)嘴啃泥。太陽(yáng)光是均勻連續(xù)地照射，脈沖式激光器把有限的能量壓縮在很短的一段時(shí)間里釋放，所以瞬間的爆發(fā)效果就更加驚人了。

簡(jiǎn)單地說，衡量一束光的強(qiáng)弱，就是把光的能量除以照射面積，再除以持續(xù)時(shí)間。同樣大小的能量，照射的面積越小，持續(xù)的時(shí)間越短，光的峰值功率就越大。

羅馬尼亞激光器能夠讓激光脈沖在1飛秒內(nèi)達(dá)到10拍瓦的峰值，也就是說，把10焦耳的光能量壓縮到1飛秒也就是1000萬(wàn)億分之一秒的光脈沖里。這是很難做到的，不僅因?yàn)?飛秒是很短的時(shí)間，還因?yàn)檫@個(gè)峰值功率太大了，什么材料都承受不起，都會(huì)被燒壞。為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)了不起的成就，必須采用法國(guó)科學(xué)家穆魯在上個(gè)世紀(jì)80年代發(fā)明的啁啾脈沖放大技術(shù)，在保證激光強(qiáng)度的同時(shí)提升其功率。

自從1960年發(fā)明激光器以來(lái)，科學(xué)家們就一直努力提高激光的各項(xiàng)指標(biāo)，對(duì)于脈沖激光器來(lái)說，兩個(gè)重要的目標(biāo)是增大單個(gè)脈沖的能量和縮短脈沖的寬度。通過調(diào)Q、鎖模和克爾透鏡鎖模等超快激光技術(shù)，科學(xué)家可以把激光脈沖從毫秒的量級(jí)提高到納秒、皮秒乃至飛秒的量級(jí)，但是，提高單個(gè)脈沖激光的能量，需要在增益介質(zhì)（也就是激光晶體）中對(duì)激光脈沖進(jìn)行放大，困難就來(lái)了。超高的激光峰值功率會(huì)對(duì)增益介質(zhì)造成損害，增大激光光束直徑，有助于降低它的峰值功率，但是效果不是特別明顯，還對(duì)激光晶體的生長(zhǎng)也提出了不切實(shí)際的要求。啁啾脈沖放大技術(shù)就應(yīng)運(yùn)而生了。

激光是量子現(xiàn)象，也要服從量子力學(xué)的規(guī)律。根據(jù)測(cè)不準(zhǔn)原理，當(dāng)激光脈沖很短的時(shí)候，激光的波長(zhǎng)就有一定的分布范圍。利用光柵或者光纖可以把不同波長(zhǎng)的光分開，讓它們經(jīng)過長(zhǎng)短不同的路徑以后再重新匯合，這樣就可以把脈沖的持續(xù)時(shí)間拉長(zhǎng)，不同波長(zhǎng)也就是頻率的光到達(dá)的時(shí)間是不一樣的，仿佛鳥叫聲的婉轉(zhuǎn)起伏，所以這個(gè)現(xiàn)象就叫作“啁啾”。適當(dāng)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)可以把激光脈沖的寬度拉長(zhǎng)幾萬(wàn)倍甚至幾十萬(wàn)倍，從飛秒的量級(jí)拉伸到皮秒甚至納秒，在此過程中，由于能量守恒，激光脈沖的峰值能量也會(huì)下降相應(yīng)的倍數(shù)。當(dāng)然，反過來(lái)也可以，把納秒或者皮秒的激光脈沖壓縮到飛秒的量級(jí)。

啁啾脈沖放大技術(shù)的工作原理是這樣的：首先生成一個(gè)小能量的超短激光脈沖（這就是種子光），然后在時(shí)間上把它拉伸成一個(gè)寬脈沖，隨后通過激光晶體進(jìn)行放大，因?yàn)榇藭r(shí)的脈沖寬度很大，峰值功率很低，即使放大很多倍也不會(huì)損壞激光晶體，單個(gè)脈沖可以擁有很高的能量，然后在反過來(lái)應(yīng)用啁啾系統(tǒng)，把這個(gè)能量很大但持續(xù)時(shí)間也很長(zhǎng)的激光脈沖擠壓到很短的時(shí)間里，就可以得到能量很大、持續(xù)時(shí)間很短的激光脈沖了。

啁啾激光放大技術(shù)非常重要，羅馬尼亞激光器只是一個(gè)典型的代表，那里的科學(xué)家們充分發(fā)揮了現(xiàn)有的技術(shù)手段，也許還發(fā)明了而一些新的方法，才創(chuàng)造出迄今最短、最強(qiáng)烈的激光脈沖，把10焦耳的光能量壓縮到1飛秒的超短時(shí)間里?，F(xiàn)在從事這方面的研究的國(guó)家有很多，我國(guó)也有一些單位做出了非常出色的工作。

隨著激光科學(xué)和技術(shù)的進(jìn)步，高強(qiáng)度的超短光脈沖在很多領(lǐng)域比如粒子物理學(xué)、核物理學(xué)、醫(yī)學(xué)等都展現(xiàn)了自己的價(jià)值。我們希望它在將來(lái)會(huì)有更多的進(jìn)展，得到更廣泛的應(yīng)用。

本文為科普中國(guó)·星空計(jì)劃扶持作品

作者名稱：姬揚(yáng)

審核：左玉華 中科院半導(dǎo)體研究所研究員

出品：中國(guó)科協(xié)科普部

監(jiān)制：中國(guó)科學(xué)技術(shù)出版社有限公司、北京中科星河文化傳媒有限公司